TUGAS AKHIR TM (KE)

TUGAS AKHIR TM 090340 (KE)

ANALISIS PERBANDINGAN TEKANAN TURBIN ANGIN SAVONIUS SPLIT TIPE – U STANDARD DENGAN TURBIN ANGIN SAVONIUS TIPE - U MODIFIKASI BACK GUIDE DAN FRONT GUIDE MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK FLUENT 6.3.26 WAHYU INDRAWAN Dosen Pembimbing GIRI NUGROHO ST, MSc PROGRAM STUDI DIPLOMA III JURUSAN TEKNIK MESIN Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2014

i

FINAL PROJECT TM 090340 (KE)

ANALYSIS TOTAL PRESSURE COMPARISON OF STANDARD SPLIT SAVONIUS WIND TURBINE TYPEU AND SAVONIUS WIND TURBINE TYPE-U MODIFICATION BACK GUIDE AND FRONT GUIDE USING FLUENT 6.3.26 WAHYU INDRAWAN NRP. 2111 030 043 Counselor Lecturer GIRI NUGROHO ST,MSc DIPLOMA III STUDY PROGRAM MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT Faculty of Industrial Technology Institute Technology of Sepuluh Nopember Surabaya 2013

ii

ANALISIS PERBANDINGAN TEKANAN TURBIN ANGIN SAVONIUS SPLIT TIPE – U STANDARD DENGAN TURBIN ANGIN SAVONIUS TIPE - U MODIFIKASI BACK GUIDE DAN FRONT GUIDE MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK FLUENT 6.3.26 TUGAS AKHIR

Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Ahli Madya Teknik Mesin Pada Bidang Studi Konversi Energi Program Studi Diploma III Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Oleh : WAHYU INDRAWAN NRP. 2111 030 043 Disetujui oleh Dosen Pembimbing Tugas Akhir :

1. Giri Nugroho ST, MSc ............................... ( Pembimbing )

SURABAYA Juli 2014 iii

DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL .......................................................... i LEMBAR PENGESAHAN ............................................... iii ABSTRAK .......................................................................... iv KATA PENGANTAR ....................................................... viii DAFTAR ISI ...................................................................... x DAFTAR GAMBAR ......................................................... xii DAFTAR TABEL .............................................................. xv BAB I PENDAHULUAN ............................................................... 1.1 Latar Belakang ............................................................... 1.2 Perumusan Masalah ....................................................... 1.3 Tujuan ............................................................................ 1.4 Batasan Masalah ............................................................ 1.5 Manfaat Penulisan ......................................................... 1.6 Sistematika Penulisan ....................................................

1 1 2 2 2 3 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ...................................................... 2.1 Profil kecepatan angin di Indonesia ............................... 2.2 Turbin angin sumbu vertikal .......................................... 2.3 Turbin angin sumbu vertikal savonius ........................... 2.4 Udara dan sifat - sifatnya ............................................... 2.4.1. Udara ................................................................... 2.4.2. Sifat-sifat fluida ................................................... 2.4.2.1 Densitas .................................................... 2.4.2.2 Viskositas ................................................. 2.4.2.3 Bilangan reynolds .................................... 2.5 Aliran Eksternal ............................................................. 2.5.1. Terbentuknya Boundary Layer ........................... 2.5.2. Aliran Nonviscous dan Viscous ........................... 2.5.3. Separasi Aliran .................................................... 2.5.3.1 Separasi Aliran 2D ................................... 2.5.3.2 Tekanan statis, stagnasi, dan dinamis .......

5 6 6 7 8 8 9 9 10 11 12 12 13 14 17 19

x

2.6 Dinamika Aliran Fluida secara Komputasi (Computational Fluid Dynamics) ........................................................... 23 2.6.1 Gambit (Geometry and Mesh Building Intelligent Toolkit).......................................................................... 24 2.6.2 Fluent ..................................................................... 24 2.6.2.1 Formulasi Solver ...................................... 25 2.6.2.2 Penentuan Model ...................................... 25 2.6.2.3 Penetuan Kondisi Batas ............................ 27 BAB III METODOLOGI PENELITIAN .......................................... 3.1. Preprocessing .............................................................. 3.1.1. Geometri Turbin Angin Savonius tipe U ............ 3.1.2. Pembuatan geometri pada software Solidwork ... 3.1.3. Geometri savonius ............................................... 3.1.4. Perbandingan percobaan sudut back guide ......... 3.1.5. Meshing ............................................................... 3.1.6. Parameter Pemodelan .......................................... 3.2. Processing atau Solving ............................................... 3.3. Postprocessing ............................................................ 3.4. Diagram Alir (flowchart) Metode Penelitian ..............

31 31 31 32 36 40 42 47 54 54 54

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ........................................... 4.1. Vector velocity pada savonius ..................................... 4.2. Distribusi tekanan savonius tipe U standard ................ 4.3. Distribusi tekanan savonius tipe U modifikasi 1 .......... 4.4. Distribusi tekanan savonius tipe Umodifikasi 2 ........... 4.5. Perbandingan tekanan dan daya ...................................

57 57 59 65 74 83

BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan................................................................... 89 5.2. Saran ............................................................................. 89 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xi

DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Tabel 4.1 Tabel 4.2 Tabel 4.3 Tabel 4.4 Tabel 4.5 Tabel 4.6 Tabel 4.7 Tabel 4.8 Tabel 4.9

Percobaan dengan variasi sudut back guide ..... ....... Tekanan rata – rata pada sudu atas................... ....... Tekanan rata – rata pada sudu bawah .............. ....... Tekanan rata – rata pada sudu atas savonius modifikasi 1 .................................................... ....... Tekanan rata – rata pada sudu bawah savonius modifikasi 1 .................................................... ....... Tekanan rata – rata pada back guide savonius modifikasi 1 .................................................... ....... Tekanan rata – rata pada sudu atas savonius modifikasi 2 .................................................... ....... Tekanan rata – rata pada sudu bawah savonius modifikasi 2 .................................................... ....... Tekanan rata – rata pada back guide savonius modifikasi 2 .................................................... ....... Perbandingan tekanan dan daya ....................... .......

xv

40 61 62 69 70 71 78 79 80 83

Halaman ini sengaja dikosongkan

xvi

DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Gambar 2.2. Gambar 2.3. Gambar 2.4. Gambar 2.5. Gambar 2.6. Gambar 2.7. Gambar 2.8. Gambar 2.9. Gambar 2.10. Gambar 2.11. Gambar 2.12. Gambar 3.1. Gambar 3.2. Gambar 3.3. Gambar 3.4. Gambar 3.5. Gambar 3.6. Gambar 3.7. Gambar 3.8. Gambar 3.9. Gambar 3.10 Gambar 3.11 Gambar 3.12. Gambar 3.13. Gambar 3.14. Gambar 3.15. Gambar 3.16 Gambar 3.17

Peta persebaran angin ................................. Persebaran angin pada blade savonius ........ Boundary layer pada pelat datar ................. Perbedaan antar fluida ideal dan viscous ...

5 8 13 14 Boundary layer flow dengan pressure gradient. 15 Aliran pada lintasan berbentuk sphere ....... 16 Aliran incompressible melewati bola (sphere) ....................................................... 17 Details viscous flow pada sekitar airfoil ..... 19 Pengukuran tekanan statis........................... 20 Pengukuran tekanan stagnasi ...................... 21 Pengukuran tekanan stagnasi dan tekanan statis ............................................................ 22 Blok diagram simulasi dengan CFD ........... 23 Geometri lingkaran dalam .......................... 32 Geometri lingkaran luar .............................. 32 Membuat savonius sisi atas ........................ 33 Membuat back guide .................................. 33 Membuat savonius back guide sisi atas ...... 34 Convert entities untuk membuat face ......... 34 Gambar permukaan stelah di face............... 35 Simpan dalam format IGES ........................ 35 Import file ke Gambit ................................. 36 Geometri savonius split standard ................ 36 Modifikasi savonius dengan back guide........... 37 Tampilan 3D savonius dengan back guide ....... 38 Modifikasi savonius dengan back guide dan front guide .................................................. 38 Tampilan 3D savonius dengan back guide dan front guide ........................................... 39 Grafik perbandingan hasil percobaan ......... 41 Domain pemodelan savonius ...................... 42 Tampilan benda setelah di meshing ................. 42 xii

Gambar 3.18. Gambar 3.19. Gambar 3.20. Gambar 3.21. Gambar 3.22. Gambar 3.23. Gambar 3.24. Gambar 3.25.

Batas dinding atas.......................................... Batas dinding bawah .................................. Batas kiri sebagai inlet ................................ Batas kanan sebagai outlet .......................... Menu untuk memasukkan fluida udara....... Daerah batas fluida udara ........................... Menge – export file dengan format Mesh... Menu bar saat start-up software Fluent 6.3.26 .......................................................... Meng-import grid pada Fluent 6.3.26 ........ Merubah skala Fluent 6.3.26 ...................... Pemilihan models pada Fluent 6.3.26 ......... Penentuan materials pada Fluent 6.3.26..... Boundary conditions pada Fluent 6.3.26 .... Pemilihan solution pada Fluent 6.3.26 ....... Initialize pada Fluent 6.3.26 ....................... Monitor Residual pada Fluent 6.3.26 ......... Iterasi pada Fluent 6.3.26 ........................... Flowchart metodologi penelitian ................ Vector velocity savonius modifikasi 1 ............. Vector velocity savonius standard ...................

Gambar 3.26. Gambar 3.27. Gambar 3.28. Gambar 3.29. Gambar 3.30. Gambar 3.31. Gambar 3.32. Gambar 3.33. Gambar 3.34. Gambar 3.35. Gambar 4.1. Gambar 4.2. Gambar 4.3. Distribusi tekanan statis pada savonius split standard ........................................................ Gambar 4.4. Distribusi tekanan statis pada ujung sudu atas savonius ............................................... Gambar 4.5 Distribusi tekanan pada savonius standard ....... Gambar 4.6. Distribusi tekanan statis pada savonius dengan back guide ...................................... Gambar 4.7 a. Distribusi tekanan statis pada savonius modifikasi 1 sudu atas depan ...................... Gambar 4.7 b. Distribusi tekanan statis pada savonius modifikasi 1 pada back guide ..................... Gambar 4.8. Perbandingan distribusi tekanan ................. Gambar 4.9 Distribusi tekanan pada sudu savonius modifikasi 1 ................................................ xiii

43 44 44 45 45 46 46 47 47 48 48 49 50 51 52 53 53 56 57 58 59 59 60 66 66 66 67 68

Gambar 4.10. Distribusi tekanan pada back guide savonius modifikasi 1 ................................................ 69 Gambar 4.11 Distribusi tekanan statis pada savonius modifikasi 2 .............................................. 74 Gambar 4.12 a Distribusi tekanan statis pada savonius dengan back guide .................................... 75 Gambar 4.12 b Distribusi tekanan statis pada savonius dengan back guide dan front guide ........... 75 Gambar 4.13 Distribusi tekanan pada savonius modifikasi 2 .............................................. 76 Gambar 4.14 Distribusi tekanan pada back guide savonius modifikasi 2 .............................................. 77

xiv

KATA PENGANTAR Segala puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT yang telah memberikan segala rahmat dan hidayah-Nya hingga penulis dengan segala keterbatasannya dapat menyelesaikan tugas akhir ini dengan baik. Dalam terselesaikannya tugas akhir ini, penulis ingin menyampaikan terimakasih kepada seluruh pihak yang telah membantu secara moral maupun materi, yakni: 1. Bapak Giri Nugroho ST, MSc sebagai dosen pembimbing tugas akhir yang telah banyak memberikan bimbingan dan ilmu mengenai mekanika fluida yang terkait dengan tugas akhir. 2. Bapak Ir. Suhariyanto, MT selaku Ketua Program Studi Diploma III Jurusan Teknik Mesin FTI-ITS. 3. Bapak Dr. Ir. Heru Mirmanto, MT sebagai dosen yang telah memberikan topik dan pengarahan pada Tugas Akhir 4. Mama, Papa, Mas Arga yang selalu memberikan do’a dan motivasinya. Tanpa do’a dan motivasi penulis tidak bisa menyelesaikan tugas akhir dengan baik. 5. Farich Firmansyah dan M.Alif Asrofi atas kerja samanya dalam mengerjakan dan menjadi partner yang baik dalam menyelesaikan tugas akhir ini. 6. Mas Anang dan Mas Gladhi yang telah membimbing dan mengajari cara mengaplikasikan software Fluent dan Gambit. 7. Mas Simon, Mas Fari, Mas Alif, Mas Dili, Mas Yosi, Mas Inug, Mas Kisah, Mas Andri, Mas Indra Fajar, Mas Ejo, Mas Anang terima kasih dukungannya kalian adalah sahabat tebaik. 8. Mas Hariesya yang telah meluangkan waktunya untuk membimbing dan mengajari perhitungan. 9. Mas Bangkit, Mas Koko, Mas Hasim, Hanip, Rahman, Jerri, Beta, Mamat, Zahra selaku Amanah Sumber Artha Group yang selalu mendukung baik moral dan materi. viii

10. Seluruh teman-teman angkatan 2011 yang selalu membantu dan memberikan semangat kepada penulis. Terimakasih atas segala kritik dan saran serta motivasi yang telah kalian berikan. 11. Seluruh Dosen dan Karyawan yang telah banyak membimbing penulis dalam menggali ilmu di D3 Teknik Mesin ITS. 12. Seluruh pihak yang belum disebutkan di atas yang telah memberikan do’a, bantuan, dan dukungannya bagi penulis hingga tugas akhir ini dapat terselesaikan dengan baik dan tepat waktu. Penulis mengharapkan kritik dan saran demi kesempurnaan tugas akhir ini. Akhirnya, penulis berharap semoga tugas akhir ini dapat memberikan manfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan di masa depan.

Surabaya, Juli 2014

Penulis

ix

ANALISIS PERBANDINGAN TEKANAN TURBIN ANGIN SAVONIUS SPLIT TIPE – U STANDARD DENGAN TURBIN ANGIN SAVONIUS TIPE - U MODIFIKASI BACK GUIDE DAN FRONT GUIDE MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK FLUENT 6.3.26 Nama Mahasiswa NRP Jurusan Dosen Pembimbing

: Wahyu Indrawan : 2111 030 043 : D3 Teknik Mesin FTI-ITS : Giri Nugroho ST, MSc Abstrak

Eksploitasi bahan bakar fosil secara berlebihan akan menimbulkan semakin menipisnya cadangan energi fosil di bumi. Pemanfaatan energi alternatif menjadi solusi kongkrit untuk meminimalisir penggunaan bahan bakar fosil. Angin merupakan sumber daya alam yang dapat dijadikan energi alternatif karena jumlahnya melimpah. Maka dari itu pemanfaatan energi angin harus dilakukan secara intensif dengan membangun turbin angin agar menghasilkan listrik. Sudu savonius tipe – U merupakan salah satu jenis turbin angin yang banyak digunakan dalam pemanfaatan energi angin. Agar dapat menghasilkan daya listrik maksimal, maka dibutuhkan modifikasi pada turbin angin savonius tipe – U. Tujuan tugas akhir ini untuk memberikan referensi modifikasi turbin angin. Selain itu untuk mengetahui karakteristik aliran fluida dan distribusi tekanan yang melewati sudu savonius standard dan modifikasi sudu savonius dengan front guide dan back guide menggunakan analisa sudut pandang 2D melalui software fluent 6.3.26. Dari hasil analisa, tekanan total yang dihasilkan oleh modifikasi sudu savonius menggunakan front guide dan back guide lebih besar daripada tekanan total sudu savonius standard. Tekanan total yang dihasilkan sudu savonius modifikasi adalah sebesar 41,788 Pa. Dimana nilai tersebut lebih besar dari total tekanan yang dihasilkan oleh sudu savonius standard yaitu sebesar 28,243 Pa. iv

Sehingga didapat kenaikan tekanan sebesar 13,545 Pa atau sebesar 32,4%. Kata kunci :

modifikasi, distribusi tekanan, turbin angin savonius, energi angin

v

ANALYSIS TOTAL PRESSURE COMPARISON OF STANDARD SPLIT SAVONIUS WIND TURBINE TYPE-U AND SAVONIUS WIND TURBINE TYPE-U MODIFICATION BACK GUIDE AND FRONT GUIDE USING FLUENT 6.3.26 Name Student ID Number Study Program Academic Advisor

: Wahyu Indrawan : 2111 030 043 : D3 MechanicalEngineering FTI-ITS : Giri Nugroho ST, MSc Abstracts

Much exploitation of fossil fuel bring about the decrease of petroleum reserves. The initiation to use the alternative energy becomes an effective solution to minimize the overconsumption of petroleum. One of the natural resources to have an alternative energy is wind due to its ample supply. Hence, the use of wind power should be optimized through establishing wind turbines that can generate electricity. Savonius blade type-U is one of the wind turbines that used to make the most of wind energy. To be able to generate maximum electrical power, it is necessary to remodel the savonius wind turbine type-U. This final assignment is set out to provide reference for wind turbine remodeling that can revolve in low-speed wind based on Indonesia’s wind velocity. In addition, it can help to comprehend the characteristics of fluid flow and dynamic pressure through standard savonius blade and modified savonius blade with front guide and back guide using 2d viewpoint analysis of software fluent 6.3.26. From the analysis, the total pressure of modified savonius blade using front guide and back guide yields bigger than the total pressure of standard savonius blade. The total pressure of vi

modified savonius blade is 41,775 Pa. depicting a greater value than the total pressure of standard savonius blade resulting solely on 28,243 Pa. in which there is an increase of wind pressure which is 13,532 Pa or 32,39 %. Keywords: remodeling, dynamic pressure, savonius wind turbines, wind power

vii

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Populasi manusia dunia saat ini semakin bertambah dan mendorong pemanfaatan energi fosil secara besar – besaran. Eksploitasi energi fosil berdampak semakin menipisnya persediaan energi tersebut di muka bumi mengingat pembentukannya yang lama. Berdasarkan penelitian di tahun 2005, cadangan minyak bumi di Indonesia pada tahun 2004 diperkirakan akan habis dalam kurun waktu 18 tahun dengan rasio cadangan dibanding produksi pada tahun tersebut (DESDM,2005). Sedangkan gas diperkirakan akan habis dalam kurun waktu 61 tahun dan batubara 147 tahun. Semakin menipisnya energi fosil telah mendorong negara – negara untuk memunculkan energi alternatif guna menanggulangi berkurangnya energi fosil yang semakin menipis dengan memanfaatkan energi angin. Angin yang merupakan gerakan udara dari tekanan udara yang lebih tinggi ke tekanan udara yang lebih rendah. Karena bergerak angin memiliki energi kinetik. Energi angin dapat dikonversi atau ditransfer ke dalam bentuk energi lain seperti listrik atau mekanik dengan menggunakan kincir atau turbin angin. Indonesia memiliki potensi energi angin yang cukup memadai karena kecepatan angin rata-rata berkisar 3,5 – 7 m/s. Berdasarkan hasil pemetaan Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional (LAPAN) di pulau Jawa kecepatan angin rata-rata berkisar 2,5 – 4,0 m/s (LAPAN,2005). Berdasarkan hasil pemetaan tersebut turbin angin yang paling cocok diterapkan di pulau Jawa khususnya di Surabaya adalah turbin angin vertikal tipe Savonius. Pada Tugas Akhir ini akan membahas turbin angin savonius dengan modifikasi blade menggunakan back guide dan front guide dengan tujuan agar turbin dapat menghasilkan tekanan yang lebih tinggi dari turbin savonius biasa. Turbin angin savonius ini akan disimulasikan pada CFD ( Computational Fluid Dynamics ) untuk mengetahui distribusi tekanan dan kecepatan. Berdasarakn uji coba dengan metode numerik pada CFD nantinya dapat diketahui

1

pengaruh yang ditimbulkan oleh back guide dan front guide serta tekanan total yang dihasilkan oleh turbin angin savonius yang telah di modifikasi. 1.2 Rumusan Masalah 1. Bagaimana mendesain VAWT Savonius tipe U agar dapat menghasilkan tekanan yang tinggi dengan profil kecepatan angin di Indonesia ? 2. Bagaimana pengaruh penambahan back guide terhadap performansi VAWT Savonius ? 3. Bagaimana pengaruh penambahan front guide terhadap performansi VAWT Savonius ? 4. Bagaimana distribusi tekanan dan aliran udara pada VAWT Savonius dengan penambahan front guide dan back guide ? 1.3 Tujuan Tujuan dari penelitian tugas akhir ini adalah sebagai berikut 1. Membuat desain VAWT Savonius tipe U agar dapat menghasilkan tekanan yang lebih tinggi daripada Savonius tipe U standard 2. Mengetahui pengaruh penambahan back guide terhadap performansi VAWT Savonius 3. Mengetahui pengaruh penambahan back guide terhadap performansi VAWT Savonius 4. Mengetahui distribusi tekanan dan aliran udara pada VAWT Savonius dengan penambahan front guide dan back guide 1.4 Batasan Masalah Untuk memperkecil ruang lingkup dan memudahkan dalam analisis masalah dibutuhkan adanya pembatasan masalah. Batasan masalah yang digunakan dalam penulisan tugas akhir ini antara lain : 1. Kondisi steady state, aliran incompresible 2. Anailsa menggunakan 2D menggunakan turbulen k – epsilon, boundary condition untuk inlet adalah velocity inlet dengan kecepatan udara masuk sebesar 5 m/s.

2

3. Menggunakan perangkat lunak Fluent 6.3.26 4. Data yang diamati pada Fluent hanya pada distribusi tekanan pada blade 5. Simulasi numerik dilakukan dengan kondisi inlet udara dari kiri . 6. Perhitungan daya didasarkan arah angin 90o ke frontal area sehingga daya yang dihasilkan adalah daya maksimal yang mungkin terjadi 1.5 Manfaat Manfaat dari penelitian tugas akhir ini adalah 1. Memberikan referensi rancangan turbin angin savonius yang sesuai dengan profil kecepatan angin di Indonesia 2. Memberikan kontribusi pada pengembangan energi terbarukan khususnya energi angin di Indonesia. 3. Mengetahui distribusi tekanan yang terjadi pada benda dengan mengamati visualisasi yang ditampilkan dengan perangkat lunak Fluent 6.3.26 1.6 Sistematika Penulisan BAB I PENDAHULUAN Bab ini berisi tentang latar belakang penulisan, perumusan masalah yang dipilih, tujuan penulisan, manfaat penulisan, batasan permasalahan dan sistematika penulisan. BAB II DASAR TEORI Bab ini berisi tentang persamaan - persamaan yang mendasari perumusan masalah, teori external flow, gaya hambat, gaya angkat, dan pengenalan software FLUENT 6.3.26. BAB III METODE PENELITIAN Bab ini menjelaskan langkah - langkah pemodelan melalui diagram alir, serta menguraikan pemodelan numerik yang dilakukan, mulai dari pembuatan geometri model uji, diskretisasi daerah analisa (meshing), pemodelan FLUENT 6.3.26.

3

BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN Bab ini menguraikan data yang diperoleh saat simulasi dilakukan yaitu berupa hasil contour tekanan, dan distribusi tekanan sepanjang blade serta perhitungan daya yang dihasilkan dari blade savonius tersebut. BAB V PENUTUP Bab ini memaparkan kesimpulan yang diperoleh selama pembuatan tugas akhir ini yang merupakan ringkasan jawaban dari permasalahan yang dipilih. Dan berisikan saran - saran dari penulis.

4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Profil Kecepatan Angin di Indonesia Matahari adalah bintang tatasurya yang selalu mengirimkan sinar cahaya ke Bumi. Tidak hanya itu matahari juga mengirimkan sebagian energi radiasi matahari. Penyinaran atau radiasi matahari yang diterima oleh permukaan bumi akan berbeda satu tempat dengan yang lainnya. Perbedaan tersebut akan berakibat pada perbedaan suhu udara. Daerah yang menerima lebih banyak penyinaran matahari akan memiliki suhu yang lebih tinggi dibandingkan dengan daerah lainnya sehingga menyebabkan udara bergerak mengembang dan tekanan nya menjadi rendah. Sedangkan pada daerah yang bersuhu rendah memiliki tekanan yang tinggi. Dari perbedaan tekanan udara ini akan mengakibatkan terjadinya gerakan udara dari daerah yang tekanan udaranya lebih tinggi ke daerah yang tekanan udaranya lebih rendah. Pergerakan udara ini disebut angin. Indonesia merupakan negara kepulauan yang terletak antara 11o Lintang Utara (LU) sampai 6o Lintang Selatan dan 96o Bujur Barat (BB) sampai 141o Bujur Timur (BT). Berdasarkan letak atronomis tersebut wilayah Indonesia dilewati oleh garis khatulistiwa yang menyebabkan Indonesia mempunyai iklim tropis dan mendapatkan sinar matahari sepanjang tahun. Gambar dibawah ini merupakan peta persebaran angin di Indonesia.

Gambar 2.1 Peta persebaran angin

5

Dari data Blueprint Energi Nasional, Departemen ESDM RI dapat dilihat bahwa potensi PLTB di Indonesia sangat menarik untuk dikembangkan karena dari potensi sebesar 9,29 GW, baru sekitar 0,5 GW yang dikembangkan, yang berarti baru sekitar 5,38%. Dari peta persebaran diatas dapat dilihat bahwa di daerah sepanjang garis khatulistiwa memiliki kecepatan angin yang rendah dibanding daerah NTT dan Lombok. Iklim tropis ini menyebabkan Indonesia memiliki kecepatan angin yang rendah karena memiliki suhu yang tinggi. Akibatnya potensi angin pada daerah khatulistiwa sangat kecil. Hal ini menjadi masalah bagi pengembangan pembangkit energi angin di Indonesia yaitu pengembangan tidak bisa dilakukan secara optimal. Permasalahan yang dihadapi yaitu rendahnya distribusi kecepatan angin di Indonesia dan besarnya fluktuasi kecepatan angin di Indonesia. Fluktuasi yang dimaksudkan adalah kecepatan angin yang sering melonjak beberapa saat. Oleh sebab itu pada Tugas Akhir ini akan dilaksanakan eksperimental terhadap modifikasi turbin angin savonius sehingga dapat bergerak pada kecepatan rendah. 2.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal Turbin angin sumbu vertikal (atau TASV) memiliki poros/sumbu rotor utama yang disusun tegak lurus. Kelebihan utama susunan ini adalah turbin tidak harus diarahkan ke angin agar menjadi efektif. Kelebihan ini sangat berguna di tempat-tempat yang arah anginnya sangat bervariasi. VAWT mampu mendayagunakan angin dari berbagai arah. Dengan sumbu yang vertikal, generator serta gearbox bisa ditempatkan di dekat tanah, jadi menara tidak perlu menyokongnya dan lebih mudah diakses untuk keperluan perawatan. Tapi ini menyebabkan sejumlah desain menghasilkan tenaga putaran yang berdenyut. Drag (gaya yang menahan pergerakan sebuah benda padat

6

melalui fluida (zat cair atau gas) bisa saja tercipta saat kincir berputar. Karena sulit dipasang di atas menara, turbin sumbu tegak sering dipasang lebih dekat ke dasar tempat ia diletakkan, seperti tanah atau puncak atap sebuah bangunan. Kecepatan angin lebih pelan pada ketinggian yang rendah, sehingga yang tersedia adalah energi angin yang sedikit. Aliran udara di dekat tanah dan obyek yang lain mampu menciptakan aliran yang bergolak, yang bisa menyebabkan berbagai permasalahan yang berkaitan dengan getaran, diantaranya kebisingan dan bearing wear yang akan meningkatkan biaya pemeliharaan atau mempersingkat umur turbin angin. Jika tinggi puncak atap yang dipasangi menara turbin kira-kira 50% dari tinggi bangunan, ini merupakan titik optimal bagi energi angin yang maksimal dan turbulensi angin yang minimal. 2.3 Turbin Angin Sumbu Vertikal Savonius Turbin angin savonius pertama kali diperkenalkan oleh insinyur Finlandia Sigurd J. Savonius pada tahun 1922. Turbin angin sumbu vertikal yang terdiri dari dua sudu terbentuk setengah silinder atau elips yang dirangkai sehingga membentuk ‘S’. Berdasarkan prinsip aerodinamis, rotor turbin ini memanfaatkan gaya hambat (drag) saat mengekstrak energi angin dari aliran angin yang melalui sudu turbin. Koefisien hambat permukaan cekung lebih besar dari pada permukaan cembung. Oleh karena itu, sisi permukaan cekung setengah silinder yang dilalui angin akan memberikan gaya hambat yang lebih besar daripada sisi lain sehingga rotor berputar. Setiap turbin angin yang memanfaatkan potensi angin dengan gaya hambat memiliki efisiensi yang terbatasi karena kecepatan sudu tidak dapat melebihi kecepatan angin yang melaluinya. Dengan memanfaatkan gaya hambat turbin angin savonius memiliki putaran dan gaya yang rendah. Meskipun demikian turbin savonius tidak memerlukan energi

7

awal memulai rotor untuk berputar yang merupakan keunggulan turbin ini.

Gambar 2.2 Persebaran angin pada blade savonius Keunggulan lainnya adalah fabrikasinya yang mudah bahkan dalam beberapa aplikasi untuk skala kecil dibuat dari drum bekas yang dipotong menjadi dua ( Mathew, 2006). 2.4 Udara dan sifat-sifatnya 2.4.1

Udara

Udara adalah fluida yang memiliki densitas dan viskositas. Densitas (  ) didefinisikan sebagai massa persatuan volume. Properti ini tergantung pada tekanan (P) dan temperatur (T). Kendaraan di jalan pada umumnya berjalan dengan kecepatan dibawah sepertiga kecepatan suara. Pada batas kecepatan tersebut harga variasi tekanan dan temperatur dalam aliran dengan harga free stream sangat kecil, oleh karena itu perubahan pada densitas dapat diabaikan. Dengan demikian aliran udara yang mengalir di sekeliling kendaraan dapat dikategorikan sebagai aliran fluida incompressible. Untuk kondisi standar, P = 1 atm dan T = 288 K, harga densitas atau  = 1,2250 kg/m3. Properti lainnya dari udara adalah viskositas. Properti ini disebabkan oleh gesekan molekuler antara partkel-partikel fluida.

8

Gesekan ini berhubungan dengan fluks momentum karena gradient kecepatan. Untuk fluida incompressible, properti ini bergantung pada temperatur. Pada kondisi standar viskositas  = 1,7894 x 10-5 Ns/m2 dan  = 1,4607x10-5 m2/s. Viskositas yang dimiliki fluida ini menyebabkan terjadinya friction drag sehingga timbul gradien kecepatan pada dinding. 2.4.2

Sifat-sifat Fluida

2.4.2.1 Densitas Udara adalah fluida yang memiliki densitas dan viskositas. Densitas (  ) didefinisikan sebagai massa persatuan volume. Properti ini tergantung pada tekanan (P) dan temperatur (T). Densitas dapat dinyatakan dalam tiga bentuk, yaitu: 1) Densitas Massa Merupakan perbandingan jumlah massa dengan jumlah volume. Densitas massa dapat dirumuskan dalam bentuk persamaan: (2.1) m = massa (kg) = volume (m3) = massa jenis (kg/m3) Harga standarnya pada tekanan p = 1,01325 x 105 2 N/m dengan temperatur 288,15 K sehingga densitas udara 1,23 kg/m3 dan untuk air adalah 1000 kg/m3.

Dimana :

2) Berat Spesifik Didefinisikan sebagai densitas massa dikalikan dengan grafitasi dan dapat dirumuskan dengan .

(2.2)

9

Dimana unit berat spesifik N/m3. Untuk  12,07 N/m3) dan  air = 9,81 x 103 N/m3).

udara

=

3) Densitas Relatif (Spesific Grafity) Densitas relatif disebut juga spesific grafity (SG) yaitu perbandingan antara berat spesifik suatu zat dengan berat spesifik air pada temperatur 4oC. Densitas relatif tidak memiliki satuan. (2.3) 2.4.2.2 Viskositas Properti lainnya dari udara adalah viskositas. Properti ini disebabkan oleh gesekan molekuler antara partkel-partikel fluida. Gesekan ini berhubungan dengan fluks momentum karena gradient kecepatan. Untuk fluida incompressible, properti ini bergantung pada temperatur. Viskositas dinyatakan dalam dua bentuk yaitu: 1) Viskositas Dinamis (µ) Merupakan perbandingan tegangan geser dengan laju perubahannya, besarnya viskositas air bervariasi dan dipengaruhi oleh temperatur. Pada kondisi standar (temperatur kamar 26,5oC) besar viskositas dinamik adalah  = 8,6 x 10-4 Ns/m2 dan



air

udara

= 1,7894 x 10-5 N s/m2

2) Viskositas Kinematik ( ) Merupakan perbandingan viskositas dinamik (µ) terhadap kerapatan densitas ( ) : (2.4) Viskositas kinematik muncul dalam banyak terapan, misalnya dalam bilangan reynold yang tanpa dimensi. Untuk air pada temperatur 26,5oC ialah 8,6 x 10-7 m2/s dan udara 1,4607x105 m2/s

10

2.4.2.3 Bilangan Reynolds Kondisi aliran laminar atau turbulent dapat dinyatakan dengan bilangan Reynolds untuk aliran incompressible. Jenis lapis batas yang terjadi pada aliran udara yang mengaliri suatu obyek juga sangat ditentukan oleh bilangan Reynolds (Re). Hal ini dapat dijelaskan bahwa dalam lapis batas gaya geser dan gaya inersia sangat penting, sementara bilangan reynolds sendiri mengambarkan perbandingan antara gaya inersia terhadap gaya geser. Re =

(2.5)

dimana : Gaya Inersia Gaya Geser

= p x A =  .U 2 .L2

 .U   2 .L  L 

= x A = 

Sehingga,  Untuk aliran eksternal

.U 2 .L2 .U  .L  Re =   .U   2 

(2.6)

 .L  L 

dimana :

: Densitas fluida U  : Kecepatan aliran free stream fluida L : Panjang karakteristik yang diukur pada medan aliran, dalam kasus ini digunakan diameter hidrolis, yaitu Dh : Viskositas dinamis fluida   Untuk aliran internal Diameter hidrolis (Dh) digunakan untuk perhitungan saluran tak bundar. Diameter hidrolis dapat didefinisikan sebagai Dh =

4A P

(2.7)

11

Dimana : Sehingga, Reh =

A = Luas penampang P = keliling penampang

 .U  .Dh 

(2.8)

2.5 Aliran Eksternal 2.5.1

Terbentuknya Boundary Layer

Suatu aliran disebut sebagai aliran eksternal bila aliran tersebut melewati suatu contour body yang berada pada aliran fluida tanpa batas. Contoh aliran eksternal adalah aliran fluida yang melewati sisi luar dari permukaan lengkung dan pelat datar (semiinfinite flat plate). Boundary layer (lapis batas) merupakan lapisan tipis pada solid surface yang terbatas daerah sangat sempit dekat permukaan kontur dengan kecepatan fluida tidak uniform dikarenakan tegangan geser yang muncul akibat viskositas. Dari penjelasan di atas, aliran melintasi suatu kontur diklasifikasikan menjadi dua daerah yaitu : 1. Daerah di dalam lapis batas (dekat permukaan kontur) dengan efek viskositas yang sangat berpengaruh (viscous flow). 2. Daerah di luar lapis batas dengan efek viskositas diabaikan (nonviscous flow). Struktur boundary layer flow dapat digambarkan dengan mengamati gerakan partikel fluida. Saat mengalir diluar boundary layer, partikel mempertahankan bentuk asalnya sambil bergerak translasi namun tidak berotasi dan efek viscosity dapat diabaikan. Kondisi dengan zero vorticity ini dinamakan irrotational. Gangguan mulai terjadi saat partikel memasuki boundary layer karena adanya velocity gradient dan efek viscosity. Akibatnya, selama bergerak translasi, partikel fluida juga begerak rotasi. Dengan

12

demikian vorticity-nya tidak sama dengan nol (non zero vorticity). Kondisi ini dinamakan rotational.

Gambar 2.3 Boundary layer pada pelat datar (Fox dan Mc. Donald, 8th edition)

Gambar di atas menunjukkan suatu pengembangan boundary layer sepanjang permukaan pelat. Pada daerah ini terjadi dua bentuk aliran. Awalnya aliran adalah laminar sepanjang jarak tertentu dari leading edge, kemudian terjadi suatu transisi aliran yang akhirnya akan berubah menjadi turbulen. Untuk aliran incompressible melewati smooth flate plate (zero pressure gradient), perubahan dari laminar ke turbulen dapat dipengaruhi oleh Reynolds number,

Re x 

 U  x 

(2.9)

(Barnard R.H, 1996) 2.5.2

Aliran Nonviscous dan Viscous Pada dasarnya aliran terbagi atas dua jenis yaitu aliran viscous dan aliran non viscous. Aliran non viscous bukan berarti bahwa aliran tidak mempunyai viskositas atau  = 0, karena setiap fluida pasti akan mempunyai viskositas tertentu. Pengertian aliran non viscous adalah aliran yang mempunyai gradien kecepatan mendekati nol atau tegangan gesernya mendekati nol. Sedangkan untuk aliran viscous, efek dari viskositasnya akan mengikutkan tegangan geser antara partikel fluida dengan permukaan padat yang dilaluinya.

13

Pada aliran fluida ideal, semua partikel akan bergerak pada kecepatan yang sama, tetapi pada aliran viscous yang mengikutkan tegangan geser akan menjadikan profil kecepatan fluidanya akan menjadi tidak seragam seperti gambar 2.3 dibawah ini.

Gambar 2.4 Perbedaan antara fluida ideal dan viscous (Fox, and Mc. Donald, 8th edition)

Untuk aliran viscous, kecepatan fluida tepat diatas permukaan padat sama dengan nol. Semakin jauh dari permukaan padat, secara berangsur-angsur tegangan geser yang terjadi semakin berkurang, sehingga berangsur-angsur pula kecepatan aliran akan membesar. Dan pada suatu titik tertentu pengaruh tegangan geser terhadap aliran akan hilang sehingga kecepatan aliran akan mencapai harga yang sama dengan aliran bebasnya. 2.5.3 Separasi Aliran Setiap aliran fluida terutama aliran viscous, apabila menemui suatu gangguan berupa benda atau solid surface, alirannya akan mengalami separasi karena vorticity yang terjadi besar sehingga energi yang ada atau momentum yang ada tidak bisa mengatasi adverse pressure gradient dan pengaruh gesekan yang terjadi pada solid surface tersebut.

14

Gambar 2.5 Boundary layer flow dengan pressure gradient. (Fox, and Mc. Donald, 8th edition)

Separasi aliran fluida dua dimensi membawa kerugian pada aliran laminar atau aliran yang dalam kondisi paralel. Aliran laminar dua dimensi tersebut akan dirusak oleh efek friksi dan adanya adverse pressure gradient pada permukaan dari solid. Separasi ini dimulai pada titik dimana perubahan kecepatan ke arah y sama dengan nol. Vorticity yang terjadi pada titik ini sangat besar sehingga momentum yang ada mulai dirusak vorticity tersebut dan terjadilah vortex. Vortex merupakan daerah di belakang daerah separasi. Ada dua daerah yang ada pada daerah separasi ini yaitu daerah laminar yang terseparasi dan daerah resirkulasi. Daerah separasi tersebut semakin ke belakang semakin besar sampai pada suatu titik dimana alirannya sudah kembali ke kondisi pararel (alirannya sudah pararel), dan hal ini dikenal dengan reattachment. Pada titik ini energi yang terdapat di dalam aliran fluida ini sudah dapat mengatasi adverse pressure gradient yang terjadi sebelumnya atau dengan kata lain energi yang momentumnya sudah mendapatkan tambahan kembali dari kondisi freestream –nya. Namun aliran ini sudah berubah menjadi aliran yang turbulen karena penambahan momentum yang

15

ada tersebut melebihi dari kondisi laminarnya. Aliran yang turbulen ini baik sekali untuk mengatasi adverse pressure gradient. Pada aliran fluida yang melintasi suatu permukaan berbentuk kurva (melengkung) maka distribusi tekanan dan distribusi kecepatan akan mengalami perubahan. Pada sebuah sirkular silinder yang dilalui oleh aliran fluida dalam sebuah medan aliran incompressible diasumsikan sebagai aliran inviscid sehingga aliran tampak simetris baik kearah y maupun x. Seperti tampak pada gambar dibawah ini :

Gambar 2.6 Aliran pada lintasan berbentuk sphere (Fox, and Mc. Donald, 8th edition)

Kecepatan yang mengelilingi silinder meningkat sampai suatu titik maksimum D dan kemudian berkurang saat bergerak lebih jauh kebelakang dari titik D. Titik D disebut titik separasi (separation point), dimana partikel fluida mndorong objek dan memnyebabkan terjadinya wake. Pada suatu aliran inviscid peningkatan distribusi kecepatan dihubungkan oleh pengurangan distribusi tekanan pada aliran yang melintasi profil silinder tersebut. Sehingga pada suatu aliran incompressible inviscid flow yang melintasi silinder, distribusi tekanan disepanjang permukaan dari silinder berkurang saat berjalan dari A-D dan akan meningkat lagi saat bergerak dari D-E. Pada aliran viscous steady incompressible bentuk aliran akan tampak seperti gambar berikut ini

16

Gambar 2.7 Aliran incompressible melewati bola (sphere) Pada gambar 2.7 bagaimana bentuk streamline bekerja. Gaya drag pada kebanyakan aerodinamik karena tekanan rendah pada wake: jika wake dapat dikurangi atau dihapus, drag akan dapat banyak dikurangi. Jika kita membuat bola menyerupai bentuk air mata pada gambar 2.7 streamline terbuka, dan tekanan akan meningkat dengan pelan, seperti memperpanjang aliran sehingga partikel aliran tidak didorong untuk memisahkan dari objek sampai mencapai akhir dari objek. Wake yang terjadi lebih kecil, sehingga mengurangi tekanan drag. Hanya satu aspek negatif dari streamline ini adalah luas permukaan total dengan gesekan terjadi lebih besar, sehingga drag karena gesekan akan sedikit berkurang. Namun pada aliran setelah titik B tekanan akan meningkat dalam arah aliran sehingga pada beberapa titik momentum aliran dari fluida didalam boundary layer tidak cukup untuk membawa elemen jauh kedalam daerah peningkatan tekanan sehingga aliran fluida yang berdekatan pada permukaan akan mengalami pemecahan ke arah balik dan aliran akan terseparasi dari permukaan. Hasil dari separasi boundary layer pada daerah relative tekanan rendah dibelakang body yang mana momentum alirannya tidak mencukupi disebut wake. 2.5.3.1 Separasi Aliran Dua-Dimensi (2D) Separasi aliran sangat rentan terjadi pada aliran laminer. Hal ini disebabkan oleh momentum yang dimilikinya cukup besar untuk mengatasi efek komulatif adverse pressure dan shear stress.

17

Mulainya separasi aliran ditandai dengan (u/y)y=0 = 0. Aliran yang terseparasi dapat dibagi menjadi dua daerah, yaitu: daerah laminer terseparasi (separated laminer flow), dekat batas aliran nonviscous, dan pada daerah resirkulasi, disekitar permukaan kontur. Selama berlangsungnya peristiwa separasi, muncul interaksi antara aliran nonviscous dengan boundary layer, sehingga terjadi supply energy atau momentum dari nonviscous ke boundary layer terseparasi. Proses ini disebut entrainment. Dengan demikian ada kemungkinan aliran sehat kembali asalkan jumlah komulatif momentum aliran dapat mengatasi efek tekanan balik (adverse pressure gradient) sebelum mencapai trailing edge. Ketika aliran sehat kembali, karakternya adalah turbulen, ini berarti peristiwa separasi adalah terjadinya perubahan karakteristik aliran dari laminer, transisi, kemudian turbulen yang dikenal sebagai pembentukan bubble. Pada aliran fluida yang melewati streamlining body, dimana tekanan dan efek viscous sangat penting. Bentuk streamlining body akan mengurangi besarnya adverse pressure gradient karena adanya penyebaran kenaikan tekanan pada jarak yang cukup panjang. Bodi seperti ini juga membuat penundaan separasi aliran sehingga secara signifikan gaya drag menjadi berkurang. Pada daerah upstream awalnya aliran adalah laminar dengan membentuk laminar boundary layer kemudian setelah mengenai leading edge terjadi transisi aliran pada titik T kondisi aliran berubah menjadi turbulen dan lapisan batas yang terbentuk adalah turbulent boundary layer. Karena streamline tidak bisa mengikuti kontur profil maka aliran terseparasi dan membentuk daerah bertekanan rendah dibelakang airfoil, daerah ini disebut wake. Visualisasi aliran dapat dilihat pada gambar 2.6.

18

Gambar 2.8 Details Viscous flow pada sekitar airfoil. (Fox, and Mc. Donald, 8th edition)

2.5.3.2 Tekanan Statis, Stagnasi, dan Dinamis Tekanan P yang digunakan pada persamaan Bernoulli adalah tekanan thermodinamis atau lebih dikenal dengan tekanan statis. Tekanan statis adalah tekanan yang diukur oleh alat ukur yang bergerak bersama-sama aliran dengan kecepatan yang sama. Bagaimanapun juga cara pengukuran yang demikian sangat sulit dilakukan. Oleh karena itu perlu ada cara yang praktis untuk mengukurnya. Fluida yang mengalir lurus akan mempunyai streamlines lurus pula dan tidak mempunyai variasi tekanan ke arah normal dari aliran streamlines tersebut. Kenyataan ini memungkinkan untuk melakukan pengukuran tekanan statis dengan menggunakan wall pressure tap yang ditempatkan di daerah dimana aliran streamlines lurus, seperti yang terlihat pada gambar 2.10

19

Gambar 2.9 Pengukuran tekanan statis (Fox and McDonald’s, 8th edition)

Pressure tap adalah sebuah lubang kecil yang dibuat pada dinding dimana axisnya tegak lurus terhadap permukaan dinding. Apabila lubang tersebut tegak lurus terhadap dinding suatu saluran dan bebas dari kotoran, akurasi pengukuran tekanan statis akan dapat diperoleh dengan menghubungkan pressure tap dengan suatu alat ukur yang sesuai. Apabila fluida mengalir jauh dari dinding atau bila streamlines-nya berbentuk kurva, akurasi pengukuran tekanan statis dapat diperoleh dengan menggunakan pressure probe, seperti yang telihat pada gambar 2.10. Tekanan stagnasi adalah tekanan yang dapat diukur bila aliran diperlambat sampai kecepatannya sama dengan nol dengan proses tanpa gesekan. Pada aliran incompressible, persamaan Bernoulli dapat digunakan sehubungan dengan perubahan kecepatan dan tekanan sepanjang streamlines. Dengan mengabaikan diferensial elevasi, persamaan Bernoulli menjadi :

p





v2  konstan 2

Bila tekanan statis p pada suatu titik dalam suatu aliran dimana kecepatannya adalah V, maka tekanan stagnasi po, dimana kecepatan stagnasi Vo adalah nol, maka : 2 p o Vo p V2    2 2   dimana Vo = 0, sehingga :

20

po





p





V2 2

1 V 2 2 Persamaan di atas adalah kalimat matematis dari defenisi tekanan stagnasi, yang valid untuk aliran

atau,

po  p 

incompressible. Bentuk 1 pV 2 umumnya disebut tekanan 2

dinamis. Jadi persamaan tekanan dinamis adalah : 1 V 2  p o  p 2 dan kecepatannya adalah : V

2p 0  p 

(2.10)



(Fox, and Mc. Donald, 8th edition)

Jadi, bila tekanan stagnasi dan tekanan statis diukur pada suatu titik, maka persamaan kecepatan diatas akan menghasilkan kecepatan aliran lokal. Tekanan stagnasi dapat diukur dengan menggunakan sebuah probe dimana lubangnya langsung berhadapan dengan aliran seperti terlihat pada gambar 2.10. Probe ini dikenal dengan nama stagnation pressure probe atau pitot tube. Daerah pengukurannya juga harus sejajar dengan arah aliran lokal.

Gambar 2.10 Pengukuran tekanan stagnasi (Fox, and Mc. Donald, 8th edition)

21

Pada gambar 2.11 terlihat bahwa tekanan statis yang sejajar dengan garis di titik A dapat dibaca dari wall static pressure tap. Sedangkan tekanan stagnasi dapat diukur langsung pada titik A dengan menggunakan total head tube.

Gambar 2.11 Pengukuran Tekanan Stagnasi dan Tekanan Statis (Fox, and Mc. Donald, 8th edition)

Terkadang dua buah probe dapat dikombinasikan seperti pada pitot-static tube . Tabung bagian dalam digunakan untuk mengukur tekanan stagnasi pada titik B, sedangkan tekanan statis pada titik C dibaca melalui lubang-lubang kecil pada tabung bagian luar. Pada daerah aliran dimana variasi tekanan statis dalam arah streamwisenya kecil, pitot-static tube dapat digunakan untuk mencari kecepatan pada titik B, dengan menggunakan persamaan kecepatan di atas dan mengasumsikan pb = pc Perbedaan antara tekanan lokal statik pada setiap titik dalam aliran dengan tekanan statik pada freestream bergantung langsung dengan tekanan dinamik pada freestream, dan perbandingan ini yang disebut dengan koefisien tekanan atau pressure coefficient (Cp).

22

Cp 

p  p 1 V 2 2 

(2.11)

(Barnard R.H, 1996)

Dimana :

P = tekanan local static atau tekanan pada kontur P  = tekanan statik freestream V  = kecepatan freestream

2.6 Dinamika Aliran Fluida secara Komputasi (Computational Fluid Dynamics) Dengan menggunakan salah satu software CFD dapat dibuat virtual prototype dari sebuah sistem atau alat yang ingin dianalisis dengan menerapkan kondisi nyata di lapangan. Computational fluid dynamics (CFD) merupakan perangkat analisa system dengan melibatkan aliran fluida, perpindahan panas, momentum, perpindahan energi, dan fenomen aliran lain didasarkan simulasi berbantuan computer. Simulasi menggunakan CFD menghasilkan parameter-parameter penting seperti tekanan, suhu, kecepatan, dan laju alir massa (mass flow rate). Analisa menggunakan CFD diperlukan pemahaman dan pengetahuan dasar bidang mekanika fluida untuk interpretasi hasil-hasil simulasi. Penyederhanaan CFD terdiri dari tiga tahapan proses pengerjaan, yaitu preprocessing (spesifikasi geometri, pemilihan turbulence model, spesifikasi parameter dan grid generation) kemudian postprocessing (visualization dan treatment data). Prosedur CFD melalui tahapan seperti diagram pada gambar 2.12

Gambar 2.12 Blok diagram simulasi dengan CFD (Ahmad Haidar N, 2012)

23

Software CFD akan memberikan data - data, gambar - gambar, atau kurva - kurva yang menunjukkan prediksi dari performansi keandalan sistem yang telah didesain tersebut. Hasil analisis CFD bisa menyajikan prediksi kualitatif dan kuantitatif dari berbagai persoalan dinamika fluida. 2.6.1

GAMBIT (Geometry and Mesh Building Intelligent Toolkit) Gambit yang digunakan adalah gambit 2.4.6. Software gambit ini dapat membuat geometri dan membuat meshing untuk berbagai macam bentuk, termasuk bentuk - bentuk yang rumit dan tidak beraturan. Pembuatan geometri yang digunakan dalam software ini adalah koordinat (x,y). Meshing merupakan proses selanjutnya setelah menggambar geometri dimana meshing dapat dilakukan dengan berbagai macam bentuk mesh, yaitu mesh heksahedral terstruktur dan tidak terstruktur, tetrahedral, piramid, dan prisma. Selain itu, pada software Gambit ini juga dapat dilakukan pengecekan kualitas mesh sesuai dengan standar yang kita inginkan. Semakin kecil kualitas meshing yang dibuat maka semakin akurat data yang di peroleh. Tahap pemodelan terakhir pada Gambit adalah proses penentuan jenis kondisi batas. Mesh yang telah dibuat pada Gambit dapat diekspor ke semua solver Fluent. Software yang digunakan dalam penelitian ini adalah Gambit 2.4.6. 2.6.2 FLUENT Fluent adalah satu jenis progam CFD yang menggunakan metode volume hingga (finite volume). Fluent menyediakan fleksibilitas mesh yang lengkap, sehingga dapat menyelesaikan kasus aliran fluida dengan mesh (grid) yang tidak terstruktur sekalipun dengan cara yang relatif mudah. Jenis mesh yang didukung oleh Fluent adalah tipe 2D (two dimension) triangular-quadrilaterall, 3D (three-dimension) tetrahedral-hexahedral-pyramid-wedge, dan mesh campuran (hybrid). Fluent juga memungkinkan penggunanya untuk memperhalus atau memperbessar mesh yang sudah ada. Beberapa kelebihan Fluent yaitu mudah untuk digunakan, model yang realistik

24

(tersedia berbagai pilihan solver), diskritisasi atau meshing model yang efisien (dalam Gambit), cepat dalam penyajian hasil (bisa dengan paralel komputer), dan visualisasi yang mudah untuk dimengerti. Aplikasi Fluent di dalam dunia industri, sering digunakan untuk desain dari suatu sistem fluida, dan juga untuk mencari sumber atau analisis kegagalan suatu sistem fluida. Software yang digunakan dalam penelitian ini adalah Fluent 6.3.26. 2.6.2.1 Formulasi Solver Di dalam Fluent tersedia tiga formulasi solver, yaitu segregated, coupled implisit, dan coupled eksplisit. Ketiga formulasi tersebut menghasilkan solusi yang akurat untuk berbagai jenis kasus, tetapi pada beberapa kasus tertentu salah satu formulasi mungkin dapat menghasilkan solusi yang lebih cepat daripada yang lain. Formulasi solver segregated menyelesaikan persamaanpersamaan pada suatu kasus secara bertahap, sedangkan pada solver coupled menyelesaikan semua persamaan secara bersamaan. Kedua formulasi solver tersebut menyelesaikan persamaan untuk besaranbesaran tambahan (misalnya, radiasi, turbulensi) secara bertahap. Solver coupled implisit dan eksplisit mempunyai perbedaan pada cara melinierkan persamaan-persamaan yang akan diselesaikan. Secara umum, solver segregated banyak digunakan untuk kasus dengan fluida inkompresibel dan kompresibel dengan kecepatan aliran rendah sampai menengah (bilangan Mach< 1). Adapun solver coupled pada dasarnya didesain untuk kasus fluida kompresibel dengan kecepatan tinggi (bilangan Mach ≥ 1). 2.6.2.2 Penentuan Model Pada Fluent terdapat beberapa model dan persamaan dasar yang dapat dipilih sesuai dengan kasus yang akan dianalisis. Persamaan-persamaan tersebut meliputi model multifasa, persamaan energi, model viskos, model spesies transport dan reaksi, model fasa diskrit, model pembekuan dan peleburan, dan model akustik. Pada topik kali ini akan dibahas lebih lanjut mengenai persamaan energi dan model viskos.

25

Secara garis besar, model turbulen dapat didekati dengan dua pendekatan, yaitu berdasarkan Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) dan berdasarkan Large Eddy Simulation (LES). Sebelum menentukan model viskos, harus ditentukan terlebih dahulu apakah aliran fluida yang akan disimulasikan termasuk dalam aliran laminar atau turbulen dengan menghitung bilangan Reynolds terlebih dahulu. Apabila termasuk aliran turbulen, maka Fluent menyediakan beberapa model turbulensi, yaitu model Spalart - Allmaras, model k - epsilon (k - ε) Standart, k - ε Renormalization group (RNG k - ε), k – ε Realizable, model k - ω Standart, k-ω Shear Stress Transport (SST), model Reynolds stress (RSM), dan model Large Eddy Simulation (LES) khusus 3D. Dari pemodelan-pemodelan tersebut, pemodelan turbulensi yang baik dalam memprediksi tekanan statis dinding adalah pemodelan k – ε Realizable. Hal ini dikarenakan error yang terjadi pada model terebut adalah paling kecil, sehingga dapat dikatakan lebih akurat dibandingkan pemodelan lain untuk mendeskripsikan tekanan statis. Model realizable k - epsilon merupakan pengembangan model yang relatif baru dan berbeda dengan model k - epsilon dalam dua hal, yaitu: - Pada model realizable k - epsilon terdapat formulasi baru untuk memodelkan viskositas turbulen. - Sebuah persamaan untuk epsilon telah diturunkan dari persamaan untuk menghitung fluktuasi vortisitas ratarata. Istilah realizable mempunyai arti bahwa model tersebut memenuhi beberapa batasan matematis pada bilangan Reynolds, konsisten dengan bentuk fisik aliran turbulen. Kelebihan dari model realizable k -epsilon adalah lebih akurat untuk memprediksikan laju penyebaran fluida dari pancaran jet/nozel. Model ini juga memberikan performa yang bagus untuk aliran yang melibatkan putaran, lapisan batas yang mempunyai gradien tekanan yang besar, separasi, dan resirkulasi. Salah satu keterbatasan model realizable k epsilon ialah terbentuknya viskositas turbulen non fisik pada kasus dimana domain perhitungan mengandung zona fluida yang diam dan berputar (multiple reference frame, sliding mesh).

26

2.6.2.3 Penentuan Kondisi Batas Untuk mendefinisikan suatu kasus, harus dimasukkan informasi pada variabel aliran pada domain kasus tersebut, antara lain fluks massa, momentum, energi, dan lain-lain. Informasi tersebut salah satunya harus dimasukkan dalam kondisi batas (boundary condition). Penentuan kondisi batas melibatkan beberapa hal, yaitu: - mengidentifikasi lokasi kondisi batas, misalnya sisi masuk, sisi keluar, dinding, dan lain-lain; - memasukkan informasi/data pada batas yang telah ditentukan. Data yang diperlukan (input) pada kondisi batas merupakan data yang sudah diketahui atau data yang dapat diasumsikan. Tetapi asumsi data tersebut harus diperkirakan mendekati yang sebenarnya. Input data yang salah pada kondisi batas akan sangat berpengaruh terhadap hasil simulasi. Kondisi batas yang terdapat pada Fluent sebagai berikut: - Umum: pressure inlet, pressure outlet - Aliran inkompresibel: velocity inlet, outflow - Aliran kompresibel: mass flow inlet, pressure far-field - Spesial: inlet vent, outlet vent, intake fan, exhaust fan - Sisi ganda (doublesided): fan, interior, porous jump, radiator - Lain-lain: wall, symmetry, periodic, axis Pada pembahasan kali ini akan dibahas lebih lanjut mengenai velocity inlet, outflow, dan wall. a) Velocity Inlet Kondisi batas velocity inlet digunakan untuk mendefinisikan kecepatan aliran dan besaran skalar lainnya pada sisi masuk aliran. Kondisi batas ini hanya digunakan untuk aliran inkompresibel. Metode spesifikasi kecepatan yang ada pada kondisi batas ini adalah: - Komponen (Components) - Besar/nilai kecepatan, tegak lurus terhadap batas (Magnitude, normal to boundary) - Besar/nilai kecepatan dan arah (Magnitude & direction)

27

b) Outflow Kondisi batas ini digunakan apabila data aliran pada sisi keluar tidak diketahui sama sekali. Data pada sisi keluar diekstrapolasi dari data yang ada pada aliran sebelum mencapai sisi keluar.tidak perlu dimasukkan data apapun pada kondisi batas ini. Keterbatasan kondisi batas outflow adalah: - Hanya dapat dipakai jika aliran pada sisi keluar adalah aliran berkembang penuh (fully developed). - Hanya dapat dipakai untuk aliran inkompresibel. - Tidak dapat digunakan bersamaan dengan kondisi batas pressure inlet, harus menggunakan kondisi batas velocity inlet pada sisi masuk. - Tidak dapat digunakan untuk aliran transien dan massa jenis yang tidak konstan sepanjang aliran. - Tidak dapat digunakan untuk kasus yang mengalami aliran balik pada sisi keluarnya, karena persamaan yang digunakan untuk mengekstrapolasi data pada aliran megasumsikan aliran yang terjadi pada sisi keluar adalah aliran berkembang penuh yang tidak mungkin terjadi aliran balik. Oleh karena itu apabila hendak dipakai kondisi batas outflow, harus dipastikan terlebih dahulu bahwa lokasi kondisi batas tersebut telah berada pada daerah aliran berkembang penuh c) Wall

Kondisi batas ini digunakan sebagai dinding untuk aliran fluida dalam saluran atau dapat disebut juga sebagai dinding saluran. Kondisi batas ini digunakan juga sebagai pembatas antara daerah fluida (cair dan gas) dan padatan. Pada aliran viskos, kondisi no slip yang terjadi pada dinding sebagai berikut: - Kecepatan tangensial fluida pada dinding sama dengan kecepatan dinding, jadi apabila dindingnya tidak bergerak maka kecepatan tangensial fluida pada dinding sama dengan nol.

28

- Komponen arah normal kecepatan fluida pada dinding sama dengan nol. - Tegangan geser yang terjadi antara dinding dan fluida dapat ditentukan. Apabila persamaan energi diaktifkan, maka pada dinding terdapat beberapa tipe fungsi kondisi termal antara lain heatflux, temperatur, konveksi, dan radiasi. Kekasaran permukaan dinding dapat ditentukan apabila menggunakan model viskos turbulen. Dinding juga dapat dibuat bergerak secara translasi atau berputar dengan menentukan kecepatan putar atau translasi dinding.

29

Halaman ini sengaja dikosongkan

30

BAB III METODOLOGI PENELITIAN Pada Tugas Akhir ini visualisasikarakteristikaliran yang melintasisavonius blade dan airfoil naca 0015 dilakuan denganmenggunakanmetodenumerikdengansoftware Fluent 6.3.26. Padametodenumerikiniadatigatahapanutama yang harusdilakukan, antara lain: preprocessing, solving, atauprocessing danpostprocessing. 3.1 Preprocessing Preprocessingmerupakanlangkahpertamadalammembangund anmenganalisasebuah model komputasi (CFD).Tahapaninimeliputibeberapa sub-tahapanantara lain: pembuatangeometri, penentuan domain, pembuatanmeshing danpenentuan parameter-parameter yang digunakan. 3.1.1 GeometriTurbin Angin Savonius tipe U Pembuatangeometrisavonius inimenggunakansoftware Solidwork x64 Edition.Adapungeometridandimensinya adalah sebagai berikut : Geometri sudu berbentuk setengah lingkaran

Diameter luar savonius blade Diameter dalam savonius blade Tebal savonius blade Tinggi Overlap ratio

31

: 31 cm : 30 cm : 1cm : 120 cm : 8 cm

3.1.2

PembuatanGeometrisavonius Solidwork X64 Edition

blade

pada

Software

1. Langkahpertamayaknipilih sketch dan gambar setengah lingkaran dengan jari – jari 15 cm

Gambar 3.1 Pembuatan geometri lingkaran untuk blade bagian dalam

2. Membuat lingkaran luar dengan jari – jari 15.5 cm dan tambahkan garis bantu overlap ratio 8 cm

Gambar 3.2Membuat lingkaran blade luar

32

3. Membuat savonius sisi atas dengan cara yang sama yaitu diameter dalam 15 cm dan diameter luar 15.5 cm.

Gambar 3.3 Membuat savonius sisi atas

4. Untuk savonius standard langkah – langkah hanya sampai step 3. Untuk savonius dengan back guide beri garis bantu untuk menetukan titik acuan pembuatan back guide. Dibawah ini menggunakan sudut alfa 65o. Setelah itu buat garis bantu sepanjang 15,5 dan tentukan sudut beta dari back guide yang digunakan

Gambar 3.4 Pembuatan back guide dengan alfa 65 o dan beta 65o

33

5. Membuat back guide sudu sisi atas dengan menggunakan variasi sudut yang sama seperti back guide sudu bawah.

Gambar 3.5 Membuat savonius sisi atas

6. Convert entities untuk membuat face pada geometri yang telah dikerjakan

Gambar 3.6 Convert entitiesgaris yang dijadikan face

34

Gambar 3.7 Permukaan setelah menjadi face

7. Simpan file yang telah dibuat dengan cara klik save as dan pilih format IGES agar dapat dibuka pada Gambit

Gambar 3.8 Simpan dalam format IGES

35

8. Membuka software Gambit dan membuka file IGES dari geometri savonius yang telah disimpan.

Gambar 3.9 Import file pada Gambit

3.1.3 Geometri savonius

Gambar 3.10 Geometri turbin savonius split standard

Gambar 3.10 merupakan geometri dari blade savonius tipeU tanpa modifikasi atau penambahan penyearah baik di depan maupun di belakang. Geometri dari savonius blade dibuat menggunakan software Solidworks x64 edition. Diameter yang

36

digunakan untuk savonius blade biasa maupun modifikasi adalah sama yaitu dengan diameter luar sebesar 15,5 cm dan diameter dalam sebesar 15 cm. Sehingga dapat dihitung ketebalan savonius adalah 0,5 cm. Pada analisa ini menggunakan overlap ratio sebesar 8 cm karena menurut pengamatan sebelumnya dengan menggunakan overlap ratio sebesar 6 cm, tekanan yang dihasilkan lebih besar apabila menggunakan overlap ratio sebesar 8 cm. Pada gambar 4.2 merupakan geometri dari modifikasi blade savonius biasa yang dilengkapi dengan back guide. Untuk geometri blade savonius adalah sama dengan blade savonius tipe – U biasa dengan diameter luar 15,5 cm dan diameter dalam 15 cm. Geometri dari back guide menggunakan variasi sudut  dan sudut . Sudut  yang dimaksud  adalah sudut bagian dalam dari savonius yang  digunakan untuk titik awal pembuatan geometri back guide. Sedangkan sudut  adalah besar sudut back guide yang akan digunakan. Gambar diatas memperlihatkan blade savonius yang dimodifikasi back guide dengan sudut  sebesar 65o dan sudut  sebesar 65o . Dengan menambahkan back guide ternyata mempengaruhi tekanan yang dihasilkan. Maka dilakukan perbandingan variasi sudut  dan sudut  untuk mendapatkan hasil tekanan yang maksimal. Untuk selanjutnya variasi savonius yang menggunakan back guide akan disebut modifikasi 1



 

Gambar 3.11 Modifikasi turbin savonius dengan back guide

37

Gambar dibawah ini merupakan tampilan 3D dari sudu savonius tipe – U menggunakan back guide dengan  = 65,  = 70 . Untuk pemodelan tampilan 3D ini menggunakan software Solidwork dengan tinggi sudu savonius 120 cm.

Gambar 3.12 Tampilan 3D savonius dengan back guide

Gambar 3.13 Modifikasi turbin savonius dengan back guide dan front guide

38

Gambar 3.13 merupakan geometri dari modifikasi sudu savonius dengan back guide. Sudut yang digunakan yakni dengan  = 65,  = 70karena pada hasil percobaan yang telah dilakukan pada sudut inilah dihasilkan tekanan yang terbesar dibandingkan apabila menggunakan sudut yang lain. Perbedaan dari geometri sebelumnya adalah tambahan modifikasi yakni dengan menambahkan front guide sepanjang 6 cm pada sudu atas maupun sudu bawah. Pengertian front guide disini yaitu menambahkan panjang sudu atas depan dan sudu bawah belakang sepanjang 6 cm. Untuk selanjutnya sudu savonius yang menggunakan back guide dan front guide akan disebut modifikasi 2. Data yang akan dibandingkan adalah sama yaitu persebaran tekanan yang diterima oleh sudu savonius dan juga perbandingan dengan sudu savonius yang hanya menggunakan back guide. Gambar dibawah ini merupakan tampilan 3D dari sudu savonius tipe – U menggunakan back guide dengan  = 65,  = 70 ditambah dengan front guide. Untuk pemodelan tampilan 3D ini menggunakan software Solidwork x64 Edition dengan tinggi sudu savonius 120 cm

Gambar 3.14 Tampilan 3D savonius dengan back guide dan front guide

39

3.1.4 Perbandingan percobaan sudut back guide yang digunakan Tabel 3.1 Percobaan dengan variasi sudut back guide

 = 45o,  = 45o  = 50o,  = 75o  = 60o,  = 60o

Savonius standard  = 60o,  = 65o  = 60o,  = 70o  = 65o,  = 60o  = 65o,  = 65o  = 65o,  = 70o  = 65o,  = 75o

Rata – rata tekanan 19,000 Pa 26,322 Pa 27,599 Pa 28,243Pa 29,099 Pa 29,225 Pa 29,645 Pa 30,532 Pa 32,755 Pa 30,789 Pa

Keterangan

Percobaan ke-1 Percobaan ke-2 Percobaan ke-3 Percobaan ke-4 Percobaan ke-5 Percobaan ke-6 Percobaan ke-7 Percobaan ke-8 Percobaan ke-9 Percobaan ke-10

Tabel 3.1 menampilkan beberapa percobaan yang telah dilakukan dengan variasi sudut  dan sudut serta rata – rata distribusi tekanan yang dihasilkan masing – masing modifikasi. Terlihat bahwa back guide dengan sudut  65 dan sudut  70 menghasilkan tekanan 32,755 Pa yang lebih besar dari tekanan savonius standard yaitu 28,243 Pa. Selisih tekanan yang diperoleh adalah 32,755 – 28,243 = 4,512 Pa. Apabila dinyatakan dalam persen maka diperoleh: x 100% = 13,76 % Kenaikan sebesar 13,76 % merupakan bukti bahwa back guide menghasilkan kenaikan tekanan yang cukup besar daripada tekanan yang hanya dihasilkan oleh savonius standard.

40

Data percobaan 35 Tekanan (Pa)

30 25 20 15 10 5 0 1

2

3

4

5

6

7

8

9 10

Percobaan keGambar 3.15 Grafik perbandingan hasil percobaan

Grafik diatas merupakan grafik perbandingan hasil percobaan yang telah dilakukan dengan variasi sudut alfa dan beta. Terbukti bahwa kenaikan tekanan dipengaruhi juga terhadap variasi sudut yang diberikan. Modifikasi back guide dengan menggunakan sudut = 65 dan  = 70 menghasilkan nilai rata – rata tekanan yang lebih besar apabila dibandingkan back guide dengan sudut = 45 dan sudut = 45. Untuk pembahasan selanjutnya akan digunakan savonius menggunakan back guide dengan sudut = 65 dan  = 70

41

3.1.5

Meshing

Gambar 3.16 Domain pemodelan savonius

Gambar 3.17 Tampilan benda setelah di meshing

42

1. Pemberiankondisibataspada Gambit Pemberian kondisi batas model ini dibagi menjadi empat kondisi batas yaitu, inlet sebagai daerah input properties kecepatan awal, outlet sebagai batas analisa control surface pada model uji, serta pemberian batas kiri dan batas kanan sebagai wall. Pada saat memasukkan batas masukan nama pada kolom name. Pada kolom edge tentukan garis yang ingin dijadikan batas dengan meng-klik garis tersebut hingga berwarna merah Batas yang dimasukkan akan muncul dalam kotak

Masukkan garis yang digunakan

Garis yang digunakan

Gambar 3.18 Batas dinding atas

43

Gambar 3.19 Batas dinding bawah

inlet

Gambar 3.20 Garis paling kiri sebagai inlet

44

outlet

Gambar 3.21 Garis paling kanan sebagai outlet

2. Mendefinisikan kondisi batas semua bidang mesh sebagai fluida udara. Pendefinisian ini dilakukan karena meshing pada semua bidang akan disimulasikan sebagai fluida udara yang mengalir arah ordinat Y positif menuju ordinat Y negatif. Serta akan mempermudah analisa softwareFluent saat di operasikan model uji tersebut.

Gambar 3.22 Menu untuk memasukkan fluida udara yang akan dialirkan

45

Masukkan face dengan cara mem-blok semua garis

Gambar 3.23 Daerah batas fluida udara

3. Meng-export file kerja GAMBIT Langkah ini dimaksudkan agar bentuk geometri meshing yang telah dibuat pada software GAMBIT dapat dioperasikan oleh software Fluent.

Centang untuk menyimpan dalam bentuk 2D

Gambar 3.24 Meng-exportfile dengan format Mesh

46

3.1.6 Parameter Pemodelan Pada pemodelan karakteristik fluida ini akan menggunakan salah satu software analisis komputasi fluida dinamik atau Computational Fluid Dynamic (CFD). Gambit 2.4.6 dan Fluent 6.3.26 merupakan salah satu program dari CFD.

Gambar 3.25Menu bar saat start-up softwareFluent 6.3.26.

Berikut ini merupakan langkah-langkah pemodelan numeric menggunakan software Fluent 6.3.26 : 1. Grid Langkah ini dilakukan dengan mengimport grid yang telah dibuat pada software Gambit 2.2.30

Gambar 3.26 Meng-import grid pada Fluent 6.3.26

47

2. Scale Merubah skala dimensi dari benda uji dari meter ke cm

Gambar 3.27 Merubah skala padaFluent 6.3.26

3. Models Sebelum menentukan model viscous, harus ditentukan terlebih dahulu apakah aliran yang disimulasikan termasuk aliran laminar atau turbulen. Dalam kasus ini digunakan model k-epsilon dengan realizable karena diharapka nhasil yang diperoleh akurat dalam memprediksi laju penyebaran fluida.

Gambar 3.28 Pemilihan models pada Fluent 6.3.26

48

4. Materials Langkah yang paling penting dalam pemodelan di Fluent 6.3.26 adalah mendefinisikan sifat fisik material. Pada form material terdapat data-data propertis dan material yang harus dimasukkan. Dalam hal ini material yang digunakan adalah udara dengan density 1,225 kg/m3 dan viscouscity 1,7894x10-5 kg/m.s.

Gambar 3.29 Penentuan materials pada Fluent 6.3.26

5. Boundary Conditions Merupakan penentuan kondisi batas melibatkan beberapa hal, yaitu dengan pemberian beban kecepatan, tekanan maupun pemberian kondisi batas turbulensi pada inlet, outlet serta kondisi pada wall. Pada kondisi batas inlet adalah kecepatan sebesar 5 m/s dan pada kondisi batas outlet adalah outflow.

49

Gambar 3.30 Boundary conditions pada Fluent 6.3.26

6. Solution Solusipada pemodelan ini adalah menggunakan simplec (karena dapat mempercepat konvergensi untuk kasus yang sederhana) dan diskritisasinya menggunakan second order, second order upwind.

50

Gambar 3.31Pemilihan solution pada Fluent 6.3.26

7. Initialize Proses iterate memerlukan initialize (tebakan awal) sebelum memulai perhitungan agar memudahkan konvergen

51

Gambar 3.32 Initialize padaFluent 6.3.26

8. Monitor Residual Menentukan criteria konvergensi, dalam hal ini iterasi hingga mencapai harga 10-5, artinya convergence criterion yang diinginkan.Convergence criterion ditetapkan sebesar proses iterasi dinyatakan telah konvergen setelah residualnya mencapai harga di bawah 10-5.

52

Gambar 3.33 Monitor Residual padaFluent 6.3.26

9. Iterasi Menentukan criteria konvergensi (tebakan awal dari hasil iterasi) pada Fluent 6.3.26.

Gambar 3.34 Iterasi pada Fluent 6.3.26

53

3.2 Processing atau Solving Dengan bantuan software fluent 6.3.26, kondisi-kondisi yang telah ditetapkan pada saat preprocessing akan dihitung (diiterasi). Jika kriteria konvergensi tercapai dengan criteria konvergensi 10-5, maka tahapan dilanjutkan pada postprocessing dan jika tidak tercapai tahapan akan mundur kebelakang pada tahapan pembuatan meshing. 3.3 Postprocessing Postprocessing merupakan penampilan hasil serta analisa terhadap hasil yang telah diperoleh berupa data kualitatif dan data kuantitatif. Data kuantitatif berupa distribusi koefisien tekanan, koefisien drag dan koefisien lift. Sedangkan data kualitatif berupa visualisasi aliran dengan menampilkan pathlines berupa velocity magnitude. 3.4 DiagramAlir (Flowchart) MetodePenelitian Berikut ini adalah metode penelitian yang dipakai dalam penganalisaan karakteristik aliran pada blade savonius :

54

55

Gambar 3.35 Flow chart

56

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Pada bab 4 ini akan dibahas hasil analisa simulasi numerik dari fluida yang diterima oleh savonius blade tanpa modifikasi, modifikasi savonius blade dengan back guide serta savonius blade dengan front guide. Analisakarakteristikaliranfluidadilakukanmelaluipemodelannu merik 2D denganmenggunakansoftware Fluent 6.3.26, yang meliputi distribusi tekanan yang diterima oleh tiap modifikasi blade, display vector velocity dari savonius dan perbandingan hasil tekanan yang diterima oleh savonius blade.Selain itu akan dibahas hasil dari beberapa percobaan modifikasi blade savonius sehingga akan diketahui tekanan terbesar yang akan dihasilkan. Tekanan yang dihasilkan akan dilakukan perhitungan untuk mendapatkan daya maksimal yang dihasilkan oleh savonius blade. 4.1 Vector velocity pada savonius

Gambar 4.1 vector velocity sudu savonius modifikasi 1

57

Gambar 4.2 vector velocity sudu savonius split standard

Gambar 4.2 merupakan vektor velocity savonius modifikasi 1 memperlihatkan bahwa dengan adanya tambahan back guide aliran akan dibelokkan menuju sudu bagian atas. Hal ini akan menyebabkan perbedaan distribusi tekanan yang diterima oleh savonius standard. Dengan dibelokkan nya aliran udara ini maka akan menambah tekanan yang dihasilkan oleh savonius modifikasi 1. Pada vector velocity savonius standard aliran akan menumbuk sudu savonius bawah dan aliran akan menyebar ke arah bawah dan atas. Sehingga aliran yang dibelokkan akan semakin sedikit dan otomatis tekanan yang dihasilkan lebih kecil daripada savonius modifikasi 1.

58

4.2 Distribusi tekanan pada savonius split tipe - U standard Dapat dilihat bahwa udara yang mengalir akan mengenai dinding dari savonius blade yang ditandai dengan berbagai warna. Di sisi kiri gambar terdapat kategori warna dan nilai tekanan yang melewati savonius tersebut. Pada saat fluida menumbuk body savonius, maka seolah – olah aliran fluida akan berhenti dan tekanan di bagian bodi savonius akan semakin tinggi. Terdapat tekanan yang besar terjadi pada ujung sudu bagian atas yang ditandai dengan warna merah.

A

Gambar 4.3 Distribusi tekanan statis pada savonius standard

(A)

.

Gambar 4.4 Distribusi tekanan statis pada ujung sudu atas savonius

59

Udara akan menyebar sepanjang bodi savonius termasuk bodi savonius sebelah belakang. Pada gambar 4.5 diperlihatkan bahwa sudu atas belakang ditandai dengan warna biru yang berarti tidak ada tekanan yang melewati sudu bagian belakang atau bisa dikatakan bagian ini miskin tekanan. Diawali dari sudu belakang atas yang berwarna biru tua memiliki nilai tekanan yang sangat kecil (bahkan minus) karena disebabkan aliran udara menumbuk ujung sudu atas dan udara akan mengalir mengikuti kelengkungan sudu yang akhirnya memberikan tekanan pada sudu atas depan. Sudu atas depan ini memiliki tekanan yang besar atau bisa disebut kaya tekanan. Selanjutnya udara yang menumbuk sudu tersebut akan menyebar pada bodi savonius yang akan memberikan tekanan dan membuat blade savonius akan bergerak. Persebaran tekanan yang dihasilkan oleh savonius blade ini dapat digambarkan pada plotting di bawah ini

Gambar 4.5 Distribusi tekanan pada savonius standard

Gambar diatas merupakan tampilan dari tekanan yang terjadi pada sudu atas depan, sudu atas belakang, sudu bawah depan dan sudu bawah belakang. Pada sumbu x data yang diberikan adalah panjang dari sudu savonius dan pada sumbu y nilai yang diberikan adalah nilai dari tekanan yang terjadi

60

pada sudu savonius. Sehingga dapat dibaca secara jelas tekanan yang terjadi pada setiap panjang sudu savonius. Untuk mempermudah analisadistribusitekananyang terjadi pada sudu, maka distribusi tekanan diatas ditampilkan dalam bentuk tabel. Tabel 4.1 Tekanan rata - rata pada sudu atas

Sudu atas depan Jarak (m) Tekanan (Pa) 0.26 -8.198 0.255 33.527 0.22 27.070 0.19 26.901 0.16 26.495 0.13 25.893 0.10 25.704 0.07 24.793 0.04 24.395 0.01 23.598 0 22.116 -0.01 21.696 -0.02 20.482 -0.03 19.531 -0.04 15.701 Rata - rata 21.980

61

Sudu atas belakang Jarak (m) Tekanan (Pa) 0.26 -8.198 0.255 -22.978 0.22 -14.265 0.19 -13.217 0.16 -12.516 0.13 -11.660 0.10 -10.466 0.07 -10.215 0.04 -11.053 0.01 -12.245 0 -12.622 -0.01 -13.295 -0.02 -14.028 -0.03 -14.144 -0.04 -20.616 Rata - rata -13.435

Tabel 4.2 Tekanan rata - rata pada sudu bawah

Sudu bawah depan Jarak (m) Tekanan (Pa) 0.04 16.795 0.03 19.897 0.02 20.640 0.01 22.214 0.003 24.627 0 29.274 -0.10 27.988 -0.17 24.506 -0.2 10.938 -0.22 -2.356 -0.23 -4.563 -0.24 -8.929 -0.25 -11.063 -0.26 -18.628 -0.27 -19.063 Rata - rata 8.818

Sudu bawah belakang Jarak (m) Tekanan (Pa) 0.04 8.545 0.03 -3.707 0.02 -1.814 0.01 2.133 0.003 3.704 0 3.891 -0.10 4.629 -0.17 3.595 -0.2 3.343 -0.22 2.759 -0.23 2.264 -0.24 1.880 -0.25 1.052 -0.26 -1.194 -0.27 -6.386 Rata- rata 1.646

Tekanan yang diperoleh oleh sudu savonius diharapkan mampu menggerakkan sudu hingga sudu berputar dan menghasilkan daya yang dapat digunakan untuk keperluan. Pada tugas akhir ini ilustrasi yang dilakukan adalah udara diberikan melewati arah sebelah kiri dengan kecepatan 5 m/s. Oleh karena itu sudu bagian atas harus dapat berputar terlebih dahulu karena bentuk sudu bagian atas dengan bagian cekung di depan. Sehingga untuk menghitung tekanan yang dihasilkan oleh sudu savonius tipe - U tersebut agar bisa berputar adalah sebagai berikut :

62

total = Psudu atas – Psudu bawah Tekanan sudu atas diperoleh dengan cara menghitung selisih antara sudu atas depan dan sudu atas belakang atau sudu atas depan dikurangi sudu atas belakang begitu juga perhitungan tekanan yang diterima oleh sudu bawah. Syarat agar sudu bisa berputar adalah tekanan pada salah satu sudu harus lebih besar dari sudu sisi lainnya. Pada geometri ini maka sudu atas haruslah lebih besar tekanannya karena permukaan yang cekung lebih banyak menampung distribusi tekanan udara. Maka untuk menghitung tekanan total dengan mencari selisih antara sudu atas total dengan sudu bawah total. Dibawah ini akan dilakukan perhitungan tekanan hingga daya dan putaran yang dihasilkan. Patas depan – P atas belakang = 21,980 Pa– (-13,435 Pa) = 35,415 Pa Pbawahdepan – P bawahbelakang = 8,818 Pa –1,646 Pa = 7,172 Pa Ptotal = Patas – Pbawah = 35,415 Pa – 7,172 Pa = 28,243 Pa Dengan adanya tekanan yang terjadi pada sudu, maka akan timbul gaya yang untuk memutar sudu tersebut. Gaya yang dihasilkan dapat dihitung dari tekanan yang diperoleh dikalikan dengan luasan sudu yang terkena udara. Perhitungan gaya ini selanjutnya digunakan untuk perhitungan torsi dan menghitung putaran yang terjadi. Dibawah ini akan dilakukan perhitungan dengan nilai tekanan yang sudah dihitung sebelumnya. .

63

F = Ptotal x A = 28,234 Pa x 0,52 m x 1,2 m = 17,618 N Perhitungan torsi dari gaya yang telah didapat =FxL = 17,618 N x 0,15 m = 2,642 Nm Perhitungan daya sangat diperlukan agar dapat diketahui daya maksimum yang dihasilkan oleh sudu dan daya tersebut cocok digunakan untuk keperluan lain seperti menyalakan lampu. Daya diperoleh dari mengalikan gaya yang terjadi dikalikan kecepatan udara yang melewati sudu secara continyu. Maka diperoleh perhitungan seperti di bawah ini : W maks = F x v = 17,618 N x 5 m/s = 88,09 watt Perhitungan putaran turbin dari daya yang telah dihitung =  =

= 33.33 rad/s

= n=



=

n = 318,439 rpm

64

Dari perhitungan yang telah dilakukan maka tekanan total yang diperoleh oleh sudu savonius tanpa back guide sebesar 28,243 Pa. Tekanan yang dihasilkan lalu menghasilkan gaya sebesar 17,618 N dan menghasilkan torsi sebesar 2,642 Nm. Gaya yang telah dihitung juga dapat digunakan untuk mencari daya maksimal yang dihasilkan oleh sudu yakni sebesar 88,09 watt dan putarannya adalah 318,439 rpm 4.3Distribusi tekanan pada sudu savonius tipe - U menggunakan back guide dengan  = 65,  = 70 Pada gambar 4.6 merupakan gambar dari persebaran tekanan yang terjadi di sekitar sudu savonius yang dilengkapi dengan back guide. Aliran udara yang datang lalu menumbuk bagian sudu atas dan juga ujung back guide. Bisa dilihat bahwa terdapat 2 daerah yang memiliki tekanan yang besar. Pada ujung back guide udara akan menumbuk dan seolah – olah aliran fluida akan berhenti dan pada bagian ini akan mendapat tekanan yang besar ditandai dengan warna merah pada display.

65

A B

Gambar 4.6 Distribusi tekanan statis pada savonius dengan back guide

(A)

(B)

Gambar 4.7(a) Distribusi tekanan statis pada savonius modifikasi 1 sudu atas depan (b) Distribusi tekanan statis pada savonius modifikasi 1 pada back guide

66

Pada ujung sudu atas dan ujung back guide memberikan tekanan yang besar pada sudu savonius sehingga akan membuat sudu savonius akan berputar. Pada gambar 4.7 (b) juga dapat dilihat persebaran tekanan setelah menumbuk ujung back guide. Setelah itu udara mengalir melewati kelengkungan sudu dan masih membawa tekanan yang besar dan ditandai dengan warna merah pada gambar diatas. Selanjutnya udara akan dialirkan ke sudu atas untuk memberi tambahan tekanan pada sudu atas. Di waktu yang bersamaan, sisi sudu atas menerima tekanan dari udara yang menumbuknya secara langsung, akibatnya juga terjadi titik stagnasi di ujung sudu atas. Selanjutnya udara akan mengalir mengikuti kelengkungan sudu serta ditambah dengan udara yang diarahkan oleh back guide. Akibatnya terdapat penambahan tekanan yang diterima oleh sudu atas dan tekanan menjadi lebih besar. Di bawah ini diperlihatkan perbandingan distribusi tekanan pada sudu savonius biasa dengan sudu savonius menggunakan back guide.

Gambar 4.8 Perbandingan distribusi tekanan statis pada blade split dan modifikasi 1

67

Pada sudu savonius modifikasi dengan back guide dapat dilihat bahwa setelah udara menumbuk sudu atas maka udara akan diarahkan mengalir melewati kelengkungan sudu akibatnya bagian belakang sudu atas tidak mendapat tekanan atau miskin tekanan yang ditandai dengan warna biru. Nilai tekanan pada sudu belakang ini sangat kecil bahkan minus dan tidak ada tekanan sama sekali. Dengan adanya back guide pada sudu ini akan memperluas wilayah yang tidak mendapatkan tekanan. Sehingga dapat disimpulkan bahwa rata – rata tekanan pada sudu atas belakang akan semakin kecil dan bernilai minus karena wilayah yang miskin tekanan bertambah besar. Sesuai dengan rumus diatas yaitu sudu atas depan dikurangi sudu atas belakang maka distribusi tekanan pada sudu atas blade savonius menggunakan back guide lebih besar tekanannya apabila dibandingkan dengan sudu savonius biasa.

Gambar 4.9 Distribusi tekanan pada sudu savonius modifikasi 1

Plotting diatas merupakan tampilan dari tekanan yang terjadi pada sudu atas depan, sudu atas belakang, sudu bawah depan dan sudu bawah belakang. Pada sumbu x data yang diberikan adalah panjang dari sudu savonius dan pada sumbu y nilai yang diberikan adalah nilai dari tekanan yang terjadi pada sudu savonius. Sehingga dapat dibaca secara jelas

68

tekanan yang terjadi pada setiap panjang sudu savonius. Sedangkan gambar dibawah ini adalah ploting tekanan yang dihasilkan back guide masing – masing sudu atas dan sudu bawah. Pada sumbu x data yang diberikan adalah panjang dari back guide dan pada sumbu y adalah nilai tekanan yang dihasilkan.

Gambar 4.10 Distribusi tekanan padaback guide savonius modifikasi 1

Untuk mempermudah analisadistribusitekananyang terjadi pada sudu dan penyearah belakang, maka data hasil plotting diatas ditampilkan dalam bentuk tabel. Tabel 4.3Tekanan rata - rata pada sudu atas pada turbin Savonius modifikasi 1

Sudu atas depan Jarak (m) Tekanan (Pa) 0.26 28.232 0.255 25.140 0.22 24.413 0.19 23.637 0.16 23.333 0.13 22.876 0.10 22.577 0.07 22.158

69

Sudu atas belakang Jarak (m) Tekanan (Pa) 0.26 -25.083 0.255 -18.828 0.22 -17.183 0.19 -15.480 0.16 -14.708 0.13 -14.890 0.10 -15.107 0.07 -15.096

0.04 0.01 0 -0.01 -0.02 -0.03 -0.04 Rata - rata

21.511 20.767 19.529 17.820 15.558 11.079 9.183 20.521

0.04 0.01 0 -0.01 -0.02 -0.03 -0.04 Rata - rata

-12.719 -14.033 -14.183 -14.662 -14.920 -15.763 -16.779 -15.962

Tabel 4.4Tekanan rata - rata pada sudu bawah pada turbin Savonius modifikasi 1

Sudu bawah depan Jarak (m) Tekanan (Pa) 0.04 20.967 0.03 19.976 0.02 18.117 0.01 17.250 0.003 15.644 0 14.345 -0.10 5.701 -0.17 4.746 -0.2 -2.588 -0.22 -4.480 -0.23 -6.406 -0.24 -12.047 -0.25 -13.793 -0.26 -16.853 -0.27 -18.186 Rata - rata 2.826

Sudu bawah belakang Jarak (m) Tekanan (Pa) 0.04 -4.348 0.03 -1.262 0.02 1.120 0.01 2.181 0.003 2.537 0 2.981 -0.10 3.261 -0.17 2.088 -0.2 1.611 -0.22 1.413 -0.23 1.161 -0.24 1.019 -0.25 -1.288 -0.26 -2.285 -0.27 -4.990 Rata- rata 0.347

70

Tabel 4.5 Tekanan rata - rata pada back guide turbin Savonius modifikasi 1

Penyearah bawah Jarak (m) Tekanan (Pa) 0.04 27.844 0.03 26.870 0.02 25.650 0.01 25.643 0.003 25.579 0 25.501 -0.10 25.454 -0.17 25.429 -0.2 25.358 -0.22 2.132 -0.23 -1.168 -0.24 -1.519 -0.25 -1.841 -0.26 -1.784 -0.27 -2.070 Rata - rata 15.139 Pa

Penyearah atas Jarak (m) Tekanan (Pa) 0.04 -12.512 0.03 -12.345 0.02 -12.326 0.01 -12.403 0.003 -12.427 0 -12.503 -0.10 -12.530 -0.17 -12.567 -0.2 -14.393 -0.22 -15.096 -0.23 -15.246 -0.24 -15.871 -0.25 -15.958 -0.26 -16.037 -0.27 -16.114 Rata- rata -13.889 Pa

Perhitungan tekanan total total = Psudu atas – Psudu bawah Syarat agar sudu bisa berputar adalah tekanan pada salah satu sudu harus lebih besar dari sudu sisi lainnya. Pada geometri ini maka sudu atas haruslah lebih besar tekanannya karena permukaan yang cekung lebih banyak menampung distribusi tekanan udara. Maka untuk menghitung tekanan

71

total dengan mencari selisih antara sudu atas total dengan sudu bawah total. Untuk menghitung tekanan sudu atas yang dilengkapi oleh penyearah, maka tekanan sudu atas belakang harus ditambah dengan tekanan pada back guide atas. Begitu juga dengan tekanan total sudu bawah. Untuk mencarinya maka tekanan pada sudu bawah depan harus ditambahkan dengan back guide bawah. Dibawah ini akan dilakukan perhitungan tekanan hingga daya dan putaran yang dihasilkan. Mencari tekanan pada sudu atas Patas depan –( P atas belakang + P back guide atas ) = 20,521 Pa– [- 15,962 +(- 13,889 Pa )] = 50,372Pa Mencari tekanan pada sudu bawah (Pbawahdepan + Pback guide bawah) – P bawahbelakang = (2,826 Pa + 15,139 Pa) – (0.347 Pa) = 17,591 Pa Ptotal = Patas – Pbawah = 50,372Pa – 17,591Pa = 32,781Pa Tekanan yang dihasilkan 32,781 Pa Dengan adanya tekanan yang terjadi pada sudu, maka akan timbul gaya yang untuk memutar sudu tersebut. Gaya yang dihasilkan dapat dihitung dari tekanan yang diperoleh dikalikan dengan luasan sudu yang terkena udara. Perhitungan gaya ini selanjutnya digunakan untuk perhitungan torsi dan menghitung putaran yang terjadi. Dibawah ini akan dilakukan perhitungan dengan nilai tekanan yang sudah dihitung sebelumnya. .

72

F = Ptotal x A = 32,781 Pa x 0,52 m x 1,2 m = 20,45 N Perhitungan torsi dari gaya yang telah didapat =FxL = 20,439 N x 0,26 m = 5,317 Nm Perhitungan daya sangat diperlukan agar dapat diketahui daya maksimum yang dihasilkan oleh sudu dan daya tersebut cocok digunakan untuk keperluan lain seperti menyalakan lampu. Daya diperoleh dari mengalikan gaya yang terjadi dikalikan kecepatan udara yang melewati sudu secara continyu. Maka diperoleh perhitungan seperti di bawah ini : W maks = F x v = 20,45N x 5 m/s = 102,25 watt Perhitungan putaran turbin dari daya yang telah dihitung =  =

= 19,23 rad/s

= n=



=

n = 183,73rpm

73

Dari perhitungan yang telah dilakukan maka tekanan total yang diperoleh oleh sudu savonius tanpa back guide sebesar 32,781 Pa. Tekanan yang dihasilkan lalu menghasilkan gaya sebesar 20,45 N dan menghasilkan torsi sebesar 5,317 Nm. Gaya yang telah dihitung juga dapat digunakan untuk mencari daya maksimal yang dihasilkan oleh sudu yakni sebesar 102,25 wattdan putarannya adalah 183,73rpm 4.4 Distribusi tekanan pada sudu savonius tipe - U menggunakan back guide dengan  = 65,  = 70 dan front guide 6 cm. Penambahan front guide ini berfungsi untuk menangkap aliran udara yang mengalir sehingga akan terjadi titik stagnasi lebih awal dan harapannya distribusi tekanan yang dihasilkan lebih besar

Gambar 4.11 Distribusi tekanan statis pada savonius modifikasi 2

74

(a)

(b)

Gambar 4.12 (a) Distribusi tekanan statis pada savonius

dengan back guide

(b) Distribusi tekanan statis pada savonius

dengan back guide dan front guide

Gambar diatas merupakan perbandingan distribusi tekanan pada sudu savonius dengan back guide dan sudu savonius yang menggunakan back guide dan front guide. Laju mengalirnya udara adalah sama yakni setelah udara menumbuk ujung sudu atas dan back guide, maka udara akan diarahkan mengikuti kelengkungan dari sudu tersebut. Namun perbedaannya terdapat pada front guide di bagian sudu bawah. Pada sudu savonius dengan back guide, setelah udara menumbuk ujung back guide maka udara akan diarahkan

75

mengikuti kelengkungan sudu sehingga kondisi di bagian back guide yang permukaannya cembung kurang mendapat tekanan. Udara dengan tekanan kecil ini terus mengalir mengikuti kelengkungan sudu bawah depan dan mendistribusikan tekanan yang semakin kecil dan ditandai dengan warna biru. Pada sudu savonius yang menggunakan front guide, maka udara yang melewati sudu bawah depan akan melewati kelengkungan sudu yang panjang karena dimodifikasi oleh front guide bagian bawah sepanjang 6 cm. Artinya, udara yang memiliki tekanan minim ini akan terus didistribusikan dengan tambahan permukaan sejauh 6 cm. Dengan demikian maka sudu bawah depan akan memiliki nilai rata – rata tekanan yang sangat kecil apabila dibandingkan dengan sudu savonius tanpa front guide. Apabila dilakukan perhitungan maka selisih yang dihasilkan akan semakin kecil dan tekanan yang dihasilkan semakin tinggi. Selain itu didukung oleh tekanan yang diterima oleh front guide pada sudu atas terlihat pengaruhnya sangat besar sehingga sudu atas depan mendapatkan tekanan yang besar. Dibawah ini akan ditampilkan ploting dari tekanan yang diterima oleh sudu dan perhitungan untuk mengetahui daya yang dihasilkan.

Gambar 4.13Distribusi tekanan pada savonius modifikasi 2

76

Plotting diatas merupakan tampilan dari tekanan yang terjadi pada sudu atas depan, sudu atas belakang, sudu bawah depan, sudu bawah belakang yang sudah ditambah dengan front guide. Sedangkan gambar 4.17 dibawah ini adalah ploting tekanan yang dihasilkan back guide masing – masing sudu atas dan sudu bawahPada sumbu x data yang diberikan adalah panjang dari sudu savonius dan pada sumbu y nilai yang diberikan adalah nilai dari tekanan yang terjadi pada sudu savonius. Sehingga dapat dibaca secara jelas tekanan yang terjadi pada setiap panjang sudu savonius.

Gambar 4.14 Distribusi tekanan pada back guide savonius modifikasi 2

Untuk mempermudah pembacaan data, maka distribusi tekanan diatas pembacaannya dinyatakan dalam bentuk tabel. Tabel dinyatakan dalam panjang dan tekanan. Panjang yang dimaksudkan adalah panjang geometri savonius yang dibuat. Sehingga dapat dilihat tekanan yang terjadi pada setiap panjang geometri savonius. Tekanan rata – rata diperoleh dengan menjumlahkan tekanan yang dihasilkan setiap panjang savonius dibagi dengan banyaknya data yang diamati.

77

Tabel 4.6 Tekanan rata – rata pada sudu atas turbin Savonius modifikasi 2

Sudu atas depan Jarak (m) Tekanan (Pa) 0.26 31.692 0.255 23.549 0.22 23.355 0.19 23.125 0.16 23.048 0.13 22.765 0.10 22.625 0.07 22.143 0.04 21.584 0.01 20.794 0 20.583 -0.01 19.520 -0.02 17.891 -0.03 11.466 -0.04 4.931 Rata - rata 20.605

78

Sudu atas belakang Jarak (m) Tekanan (Pa) 0.26 -30.432 0.255 -17.167 0.22 -14.646 0.19 -14.132 0.16 -13.465 0.13 -13.185 0.10 -13.034 0.07 -12.810 0.04 -13.496 0.01 -14.194 0 -14.360 -0.01 -14.972 -0.02 -15.432 -0.03 -15.734 -0.04 -22.282 Rata - rata -15.956

Tabel 4.7 Tekanan rata - rata pada sudu bawah turbin Savonius modifikasi 2

Sudu bawah depan Jarak (m) Tekanan (Pa) 0.04 8.361 0.03 15.079 0.02 14.743 0.01 14.707 0.003 14.592 0 14.472 -0.10 -3.002 -0.17 -3.503 -0.2 -4.290 -0.22 -6.151 -0.23 -12.330 -0.24 -16.466 -0.25 -20.347 -0.26 -25.202 -0.27 -28.876 -2.548 Rata - rata

Sudu bawah belakang Jarak (m) Tekanan (Pa) 0.04 -3.648 0.03 -2.985 0.02 -1.410 0.01 2.095 0.003 3.162 0 4.058 -0.10 3.913 -0.17 3.704 -0.2 3.066 -0.22 1.917 -0.23 1.548 -0.24 -1.222 -0.25 -3.883 -0.26 -5.212 -0.27 -9.729 -0.308 Rata- rata

79

Tabel 4.8 Tekanan rata - rata back guide pada turbin Savonius modifikasi 2

Penyearah bawah Jarak (m) Tekanan (Pa) 0.04 24.013 0.03 24.203 0.02 24.199 0.01 24.173 0.003 24.046 0 24.003 -0.10 23.908 -0.17 23.864 -0.2 -2.742 -0.22 -2.882 -0.23 -3.630 -0.24 -5.049 -0.25 -5.765 -0.26 -6.776 -0.27 -6.911 Rata - rata 10.577

Penyearah atas Jarak (m) Tekanan (Pa) 0.04 -13.377 0.03 -13.318 0.02 -13.312 0.01 -13.322 0.003 -13.356 0 -13.377 -0.10 -13.430 -0.17 -13.582 -0.2 -13.841 -0.22 -14.101 -0.23 -14.072 -0.24 -14.119 -0.25 -14.129 -0.26 -13.562 -0.27 -12.504 Rata- rata -13.560

Perhitungan tekanan total total = Psudu atas – Psudu bawah Syarat agar sudu bisa berputar adalah tekanan pada salah satu sudu harus lebih besar dari sudu sisi lainnya. Pada geometri ini maka sudu atas haruslah lebih besar tekanannya karena permukaan yang cekung lebih banyak menampung distribusi tekanan udara. Maka untuk menghitung tekanan total dengan mencari selisih antara sudu atas total dengan sudu bawah total. Untuk menghitung tekanan sudu atas yang

80

dilengkapi oleh penyearah, maka tekanan sudu atas belakang harus ditambah dengan tekanan pada back guide atas. Begitu juga dengan tekanan total sudu bawah. Untuk mencarinya maka tekanan pada sudu bawah depan harus ditambahkan dengan back guide bawah. Dibawah ini akan dilakukan perhitungan tekanan hingga daya dan putaran yang dihasilkan. Mencari tekanan pada sudu atas Patas depan –( P atas belakang + P back guide atas ) = 20,605 Pa– [- 15,956 +(- 13,560 Pa )]= 50,121Pa Mencari tekanan pada sudu bawah (Pbawahdepan + Pback guide bawah) – P bawahbelakang = (-2,548 Pa + 10,577 Pa) – ( - 0,308 Pa) = 8,333 Pa Ptotal = Patas – Pbawah = 50,121Pa – 8,333Pa = 41,788Pa Tekanan yang dihasilkan sebesar 41,788 Pa Dengan adanya tekanan yang terjadi pada sudu, maka akan timbul gaya yang untuk memutar sudu tersebut. Gaya yang dihasilkan dapat dihitung dari tekanan yang diperoleh dikalikan dengan luasan sudu yang terkena udara. Perhitungan gaya ini selanjutnya digunakan untuk perhitungan torsi dan menghitung putaran yang terjadi. Dibawah ini akan dilakukan perhitungan dengan nilai tekanan yang sudah dihitung sebelumnya. . F = Ptotal x A = 41,788 Pa x 0,52 m x 1,2 m = 26,075N

81

Perhitungan torsi dari gaya yang telah didapat =FxL = 26,075 N x 0,26 m = 6,779 Nm Perhitungan daya sangat diperlukan agar dapat diketahui daya maksimum yang dihasilkan oleh sudu dan daya tersebut cocok digunakan untuk keperluan lain seperti menyalakan lampu. Daya diperoleh dari mengalikan gaya yang terjadi dikalikan kecepatan udara yang melewati sudu secara continyu. Maka diperoleh perhitungan seperti di bawah ini : W maks = F x v = 26,075N x 5 m/s = 130,375 watt Perhitungan putaran turbin dari daya yang telah dihitung =  =

= 19,232 rad/s

= n=



=

n = 183,747rpm

82

Dari perhitungan yang telah dilakukan maka tekanan total yang diperoleh oleh sudu savonius tanpa back guide sebesar 41,775 Pa. Tekanan yang dihasilkan lalu menghasilkan gaya sebesar 26,067 N dan menghasilkan torsi sebesar 3,91 Nm. Gaya yang telah dihitung juga dapat digunakan untuk mencari daya maksimal yang dihasilkan oleh sudu yakni sebesar 130,335 watt dan putarannya adalah 318,511 rpm 4.5 Perbandingan tekanan dan daya Pada subbab ini akan ditampilkan perbandingan tekanan yang dihasilkan oleh sudu savonius biasa, sudu savonius menggunakan back guide serta tekanan yang dihasilkan oleh sudu savonius menggunakan back guide dan front guide. Selain itu akan ditampilkan juga perbandingan kenaikan daya yang dihasilkan dan dapat diketahui berapa kenaikan tekanan dan daya dalam angka maupun dalam persen. Tabel 4.9 Perbandingan tekanan dan daya

Jenis yang diamati Savonius split standard

Savonius dengan back guide Savonius dengan back guide danfront guide

Tekanan (Pa) 28,243 Pa

Daya (watt) 88,09 watt

Desain A

32,781Pa

102,25 watt 130,375 watt

Desain B

41,788 Pa

83

Desain C

Dari tabel diatas dapat dilihat perbedaan tekanan dan daya yang dihasilkan oleh masing – masing savonius. Dapat dilakukan perhitungan untuk mengetahui kenaikan tekanan dan daya sehingga diketahui modifikasi mana yang menghasilkan daya dan tekanan yang terbesar. 1. Perbandingan kenaikan daya dan tekanan pada savonius desain A dan desain B PsavoniusA WsavoniusA

= 28,243 Pa = 88,09 watt

PsavoniusB WsavoniusB

= 32,755Pa = 102,195 watt

Perhitungan kenaikan tekanan PsavoniusB – PsavoniusA 32,781Pa - 28,243 Pa = 4,538 Pa Kenaikan dalam persen

x 100% = 13,84 % Perhitungan kenaikan daya WsavoniusB – WsavoniusA 102,25 watt - 88,09 watt Kenaikan dalam persen x 100% = 13,84 %

84

= 14,16 watt

Perhitungan yang telah dilakukan memperlihatkan bahwa terdapat kenaikan tekanan dan daya dari savonius desain A apabila dibandingkan dengan savonius desain B. Kenaikan tekanan sebesar 4,538 Pa atau 13,84% dan kenaikan daya sebesar 14,16 watt atau 13,84% membuktikan bahwa modifikasi sudu savonius dengan menggunakan back guide menghasilkan daya yang lebih besar dan dapat digunakan sebegai referensi dalam pembuatan turbin. Tekanan yang dihasilkan oleh sudu savonius dengan back guide 32,755Pa 2. Perbandingan kenaikan daya dan tekanan pada savonius desain B dan desain C PsavoniusB WsavoniusB

= 32,781Pa = 102,25 watt

PsavoniusC WsavoniusC

= 41,788 Pa = 130,375 watt

Perhitungan kenaikan tekanan PsavoniusB – PsavoniusA 41,788 Pa - 32,781 Pa = 9,03 Pa Kenaikan dalam persen

x 100% = 21,6 % Perhitungan kenaikan daya WsavoniusB – WsavoniusA 130,375 watt –102,25 watt

85

= 28,125 watt

Kenaikan dalam persen x 100% = 21,59 % Perhitungan yang telah dilakukan memperlihatkan bahwa terdapat kenaikan tekanan dan daya dari savonius desain B apabila dibandingkan dengan savonius desain C. Kenaikan tekanan sebesar 9,03 Pa atau 21,6% dan kenaikan daya sebesar 28,125 watt atau 21,57% membuktikan bahwa tambahan modifikasi sudu savonius dengan menggunakan front guide menghasilkan tekanan dan daya yang lebih besar . 3. Perbandingan kenaikan daya dan tekanan pada savonius desain A dan desain C PsavoniusA WsavoniusA

= 28,243 Pa = 88,09 watt

PsavoniusC WsavoniusC

= 41,788 Pa = 130,375 watt

Perhitungan kenaikan tekanan PsavoniusC – PsavoniusA 41,788 Pa – 28,243 Pa = 13,545 Pa Kenaikan dalam persen

x 100% = 32,41 % Perhitungan kenaikan daya WsavoniusC – WsavoniusA 130,375 watt –88,09 watt

86

= 42,285 watt

Kenaikan dalam persen x 100% = 32,43 % Perhitungan yang telah dilakukan memperlihatkan bahwa terdapat kenaikan tekanan dan daya yang cukup besar apabila membandingkan modifikasi sudu savonius yang menggunakan back guide dan front guide.Terjadi kenaikan tekanan sebesar 13,545 Pa atau 32,43 % dan kenaikan daya sebesar 42,285 watt atau 32,41%. Sehingga dapat ditarik kesimpulan bahwa modifikasi sudu savonius dengan menggunakan back guide dan front guide menghasilkan tekanan dan daya yang paling besar dibandingkan sudu savonius biasa dan modifikasi sudu savonius yang hanya menggunakan back guide.

87

Halaman ini sengaja dikosongkan

88

BAB V PENUTUP 5.1 KESIMPULAN 1. Turbin angin savonius tipe U modifikasi 1 yang hanya mengunakan back guide, menghasilkan tekanan terbesar pada posisi sudut  = 65o dan  = 70o 2. Tekanan terbesar dihasilkan oleh turbin angin savonius tipe U modifikasi 2 yaitu dengan front guide dan back guide sebesar 41,788 Pa 3. Kenaikan tekanan total apabila dibandingkan antara turbin angin savonius tipe U modifikasi 2 dengan turbin savonius standard adalah sebesar 13,545 Pa atau sebesar 32,4 % 4. Daya terbesar dihasilkan oleh turbin angin savonius tipe U modifikasi 2 yaitu dengan front guide dan back guide sebesar 130,375 watt. 5. Kenaikan daya yang dihasilkan apabila dibandingkan antara turbin angin savonius tipe U modifikasi 2 dengan turbin savonius standard adalah sebesar 42,285 watt atau sebesar 32,4% 6. Kenaikan tekanan total berbanding lurus dengan kenaikan daya yang dihasilkan. 5.2 SARAN 1. Pada analisa model uji 2D dirasa kurang akurat dalam analisa turbin savonius, seharusnya analisa 2D pada aliran yang melintasi savonius merupakan sarana untuk melengkapi data pada simulasi 3D. 2. Pada analisa 2D yang akan datang hendaknya lebih memperhatikan kualitas meshing karena kualitas

89

meshing juga akan mempengaruhi tekanan yang dihasilkan. 3. Seharusnya menggunakan grid independence agar terlihat perbandingan kualitas meshing. 4. Pada simulasi berikutnya sebisa mungkin disertakan beberapa penelitian modeling terhadap simulasi numerik yang dilakukan.

90

LAMPIRAN Gambar turbin savonius standard dengan overlap ratio 8 cm

Gambar turbin savonius modifikasi dengan back guide menggunakan sudut  = 65o dan  = 70o

Gambar turbin savonius modifikasi dengan back guide menggunakan sudut  = 65o dan  = 70o serta front guide sepanjang 6 cm

Halaman ini sengaja dikosongkan

DAFTAR PUSTAKA Anderson John D. JR. 1988. Fundamentals of aerodynamics: International Edition. Singapore: McGraw-hill Book Co. Handoko, Hariesya T. 2012. Studi Numerik Perbandingan Kincir Angin Sumbu Vertikal antara Savonius Standard dengan Split Savonius. Surabaya: Institut Teknologi Sepuluh Nopember

J.Wright, Steven and Reuben M.Olson. 1993 . Dasar – Dasar Mekanika Fluida Teknik . Jakarta : PT Gramedia Pustaka Utama Nashruddin, Ahmad Haidar. 2012. Studi Numerik Karakteristik Aliran 3 Dimensi di Sekitar Bodi Modifikasi Sapuangin Urban Concept dengan Rasio Ground Clearance terhadap Panjang Model (C/L) 0,048. Surabaya: Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Niam, Syahrul. 2012. Studi Numerik Karakteristik Aliran (2D) pada Bodi Mobil GEA dengan Ground Effect. Surabaya: Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Ningrum, Dwina Azizah Setya. 2013. Studi Numerik : Modifikasi Bodi Mobil Listrik Pancasona Guna Mereduksi Gaya Drag. Surabaya : Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Prasetyo, Feri Hari. 2013. Studi Numerik : Pengaruh modifikasi diffusor terhadap gaya aerodinamika mobil listrik pancasona. Surabaya : Institut Teknologi Sepuluh Nopember

90

Pritchard, Philip J., Fox and McDonald’s. 2011. Introduction of fluid mechanics: Eight edition. USA: John Wiley & Sons, Inc. Saputra, I Putu A. 2012. Studi Numerik Karakteristik Aliran (2D) Melintasi Bodi Mobil GEA Kondisi Centerline. Surabaya: Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Sutantra, I Nyoman. 2001. Teknologi Otomotif: Teori dan Aplikasinya. Surabaya: Guna Widya. Tuakia, Firman. 2008. Dasar-Dasar FLUENT. Bandung: Informatika.

.

91

CFD

Menggunakan

BIODATA PENULIS Penulis dilahirkan di Madiun, 08 Februari 1993, merupakan anak kedua dari dua bersaudara. Penulis telah menempuh pendidikan formal yaitu, SDN Manisrejo 05 Madiun, SMPN 1 Madiun, dan SMAN 2 Madiun. Pada tahun 2011 Penulis diterima di Jurusan D3 Teknik Mesin FTI – ITS dan terdaftar sebagai mahasiswa dengan NRP 2111 030 043. Konversi Energi merupakan bidang studi yang dipilih penulis dalam pengerjaan Tugas Akhir. Selama duduk di bangku kuliah penulis aktif mengikuti kegiatan baik di bidang akademik maupun non akademik. Penulis juga pernah mengikuti berbagai kegiatan untuk menunjang softskill. Kegiatan yang pernah diikutinya antara lain : Pelatihan LKMM Pra TD, Pelatihan LKMM TD, Pelatihan Jurnalistik Dasar, Pelatihan Motor Bakar dan menjadi peserta dan panitia pada acara institut. Penulis juga pernah melaksanakan kerja Praktek di Petrokimia Gresik selama satu bulan pada 01 Juli s/d 31 Juli 2013 di bidang Rancang Bangun dan Maintenance pada Pabrik 1 Petrokimia Gresik.